43
- 3 - ВВЕДЕНИЕ Настоящее учебное пособие по информатике ориентировано на студентов первого курса в соответствии с требованиями, отраженными в государственных образовательных стандартах для химико-технологических вузов. Информатика, как учебная дисциплина, находится в стадии становления. В отличие от других дисциплин, благодаря интенсивному развитию технической базы, происходящему в последнее время, меняется не только технология, но и общий подход к освоению элементов информатики. Авторы пособия учитывают тот факт, что большинство школьников знакомы с компьютерами и в той или иной степени освоили компьютерные технологии в соответствии со стандартами школьной программы, поэтому в пособии не рассматриваются некоторые базовые вопросы построения компьютерных систем. Однако в пособии рассматриваются некоторые теоретические вопросы информации такие, как принципы представления информации, способы оценки количества информации; излагаются основные вопросы аппаратного и программного обеспечения, построения компьютерных сетей, информационных систем, включая работу в . Internet. При этом кратко рассматриваются состав и возможности Internet, включая протоколы, IP-адреса, доменные имена и т.д. Важная роль в пособии отводится разработке программ в среде MS Office, вопросам алгоритмизации, программированию, овладению персональным компьютером на пользовательском уровне. За основу взята среда Visual Basic for Application.

- 3 - ВВЕДЕНИЕicm.muctr.ru/study/computers/inf001.pdf · 2016-08-25 · - 7 - А) Количество информации как мера уменьшения неопределенности

  • Upload
    others

  • View
    3

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: - 3 - ВВЕДЕНИЕicm.muctr.ru/study/computers/inf001.pdf · 2016-08-25 · - 7 - А) Количество информации как мера уменьшения неопределенности

- 3 -

ВВЕДЕНИЕ

Настоящее учебное пособие по информатике ориентировано на

студентов первого курса в соответствии с требованиями отраженными в

государственных образовательных стандартах для химико-технологических

вузов

Информатика как учебная дисциплина находится в стадии

становления В отличие от других дисциплин благодаря интенсивному

развитию технической базы происходящему в последнее время меняется не

только технология но и общий подход к освоению элементов информатики

Авторы пособия учитывают тот факт что большинство школьников

знакомы с компьютерами и в той или иной степени освоили компьютерные

технологии в соответствии со стандартами школьной программы поэтому в

пособии не рассматриваются некоторые базовые вопросы построения

компьютерных систем Однако в пособии рассматриваются некоторые

теоретические вопросы информации такие как принципы представления

информации способы оценки количества информации излагаются

основные вопросы аппаратного и программного обеспечения построения

компьютерных сетей информационных систем включая работу в Internet

При этом кратко рассматриваются состав и возможности Internet включая

протоколы IP-адреса доменные имена и тд Важная роль в пособии

отводится разработке программ в среде MS Office вопросам

алгоритмизации программированию овладению персональным

компьютером на пользовательском уровне За основу взята среда Visual

Basic for Application

- 4 -

Глава 1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИНФОРМАТИКИ

11 Понятие информации Свойства информации

Информатикаrdquo - это франкоязычный синоним более

распространенного в мире англоязычного названия ―Computer science

что означает буквально ―компьютерная наука - те наука о

преобразовании информации в самом своем существе базирующаяся на

вычислительной технике

Что такое информация Информация - это сведения об объекте или

процессе ( от латинского слова informatio - разъяснения осведомление

изложение)Информация - это глубокое понятие и его нельзя объяснить

одной фразой В технике науке и в житейских ситуациях в это слово

вкладывается различный смысл

В бытовом смысле под информацией понимают любые данные или

знания которые кого-либо интересуют При таком понимании одно и

тоже информационное сообщение может содержать различное

количество информации для разных людей - в зависимости от уровня

понимания и интереса к нему

Однако такой подход не годится если речь идет об обработке данных

на ЭВМ В этом случае под информацией понимается произвольная

последовательность символов несущих смысловую нагрузку Каждый

новый символ увеличивает количество информации

Информационная культура mdash умение целенаправленно работать с

информацией и использовать для ее получения обработки и передачи

компьютерную информационную технологию современные

технические средства и методы

С в о й с т в а и н ф о р м а ц и и

Д о с т о в е р н о с т ь информации - В момент регистрации сигнала не

все сигналы являются полезными Присутствует laquoинформационный

шумraquo При увеличении уровня шумов достоверность снижается В этом

случае при передаче того же количества информации требуется

использовать либо больше данных либо более сложные методы анализа

информации

А к т у а л ь н о с т ь информации - степень соответствия информации

текущему моменту времени

Д о с т у п н о с т ь информации ndash мера возможности получить ту или

иную информацию На степень доступности информации влияют

одновременно как доступность данных так и доступность адекватных

методов для их интерпретации

И з б ы т о ч н о с т ь ndash это свойство полезность которого человек

ощущает очень часто как качество которое позволяет ему меньше

напрягать свое внимание и меньше утомляться Обычный текст на

русском языке имеет избыточность 20-25 Видеоинформация имеет

избыточность до 98-99 что позволяет нам рассеивать внимание и

отдыхать при просмотре кинофильма

- 5 -

О б ъ е к т и в н о с т ь информации -это понятие является

относительным(Это понятно тк методы являются субъективными)

Например принято считать что в результате наблюдения фотоснимка

объекта информауия будет более объективная чем в результате

наблюдения рисунка того же объекта

П о л н о т а информации - во многом характеризует еѐ качество и

определяет достаточность данных для принятия решений Чем полнее

данные тем шире диапазон методов которые можно использовать

Информация может существовать в самых разнообразных формах

- в форме световых звуковых или радиоволн

- в форме электрического тока или напряжения

- в форме магнитных полей

- в виде знаков на бумаге и др

В принципе информацию может переносить любая материальная

структура или поток энергии

Под обработкой информации в информатике понимают любое

преобразование информации из одного вида в другой производимое

по строгим формальным правилам

Компьютеры обрабатывают информацию путем выполнения некоторых

алгоритмов

система для передачи и преобразования информации называется

информационной система (ИС)

Что такое информационные технологиии

laquoИнформационные технологииraquo (ИТ) ndash это технологии для создания

информационных систем и управления ими

12 Эволюция информатики Истоки и этапы развития ИТ

На ранних этапах развития общества профессиональные навыки

передавались в основном личным примером по принципу делай как я В

качестве форм передачи информации использовались ритуальные танцы

обрядовые песни устные предания и тд

Первый этап развития информационной технологии связан с открытием

способов длительного хранения информации на материальном

носителе Это -пещерная живопись гравировка по кости (лунный

календарь числовые нарезки для измерения) Период между появлением

инструментов для обработки материальных объектов и регистрации

информационных образов составляет около миллиона лет

Второй этап развития информационной технологии начал свой отсчет

около 6 тыс лет назад и связан с появлением письменности Эра

письменности характеризуется появлением технологии регистрации на

материальном носителе символьной информации Применение этих

технологий позволяет осуществлять накопление и длительное хранение

знаний В качестве носителей информации выступали и до сих пор

выступают камень кость дерево глина папирус шелк бумага Сейчас

- 6 -

этот ряд можно продолжить магнитные покрытия (лента диски

цилиндры и тд) жидкие кристаллы оптические носители

полупроводники и тд

В этот период накопление знаний происходит достаточно медленно и

обусловлено трудностями связанными с доступом к информации

(Хранение в виде рукописных изданий в единичных экземплярах

доступ к которым был существенно затруднен) Этот барьер был

разрушен на следующем этапе

Начало третьего этапа датируется 1445 годом когда Иоганн Гутенберг

изобрел печатный станок Появление книг открыло доступ к

информации широкому кругу людей и резко ускорило темпы

накопления систематизированных по отраслям знаний С этого

момента началось необратимое поступательное движение

технологической цивилизации Книгопечатание - это первая

информационная революция

Четвертый этап развития информационной технологии начинается в

1946 году с появлением машины для обработки информации Этой

машиной является первая ЭВМ (типа ENIAC) запущенная в

эксплуатацию в Пенсильванском университете

Пятый этап развития информационной технологии наступил в 1982 году

после публикации эталонной модели взаимодействия открытых систем ISO

- ЭМ ВОС

13 Представление информации в компьютере Системы счисления

14Измерение количества информации ndash два подхода

Вопрос ―как измерить информацию Ответ на него зависит от того что

понимать под информацией Но поскольку определить информацию можно по-

разному то и способы измерения тоже могут быть разными

Под информацией в быту (житейский аспект) понимают сведения об

окружающем мире и протекающих в нем процессах воспринимаемые человеком или

специальными устройствами

Под информацией в технике понимают сообщения передаваемые в форме

знаков или сигналов

Под информацией в теории информации понимают не любые сведения а

лишь те которые снимают полностью или уменьшают существующую до их

получения неопределенность По определению К Шеннона информация ndash это

снятая неопределенность

Как же оценить количество информации

- 7 -

А) Количество информации как мера уменьшения неопределенности

знаний Единицы измерения количества информации

Формула Шеннона

Количество информации как мера уменьшения неопределенности знаний Информацию которую получает человек можно считать мерой уменьшения неопределенности знаний Если некоторое сообщение приводит к уменьшению неопределенности наших знаний то можно говорить что такое сообщение содержит информацию Сообщения обычно содержат информацию о каких-либо событиях Количество информации для событий с различными вероятностями определяется по формуле которую предложил КШеннон в 1948 году

где I - количество информации N - количество возможных событий pi - вероятности отдельных событий Если события равновероятны то количество информации определяется по формуле

- 8 -

или из показательного уравнения N = 2I

Единицы измерения количества информации За единицу количества информации принят 1 бит - количество информации содержащееся в сообщении уменьшающем неопределенность знаний в два раза Принята следующая система единиц измерения количества информации 1байт=8бит 1Кбайт=210байт 1Мбайт=210Кбайт=220байт 1Гбайт=210Мбайт=20Кбайт=230байт Пример После экзамена по информатике который сдавали ваши друзья объявляются оценки (2 3 4 или 5) Какое количество информации будет нести сообщение об оценке учащегося A который выучил лишь половину билетов и сообщение об оценке учащегося B который выучил все билеты Опыт показывает что для учащегося A все четыре оценки (события) равновероятны и тогда количество информации которое несет сообщение об оценке можно вычислить по формуле 22 I=log24=2бит На основании опыта можно также предположить что для учащегося B наиболее вероятной оценкой является 5 (p1 = 12) вероятность оценки 4 в два раза меньше (p2 = 14) а вероятности оценок 2 и 3 еще в два раза меньше (p3 = p4 = 18) Так как события неравновероятны воспользуемся для подсчета количества информации в сообщении формулой 21 I = -(12middotlog212 + 14middotlog214 + 18middotlog218 + 18middotlog218) бит = 175 бит Вычисления показали что при равновероятных событиях мы получаем большее количество информации чем при неравновероятных событиях

Алфавитный подход к измерению информации позволяет определить

количество информации заключенной тексте Алфавитный подход является

объективным те он не зависит от субъекта (человека) воспринимающего текст

Множество символов используемых при записи текста называется алфавитом

Полное количество символов в алфавите называется мощностью (размером)

алфавита Если допустить что все символы алфавита встречаются в тексте с

- 9 -

одинаковой частотой (равновероятно) то количество информации которое несет

каждый символ вычисляется по формуле

i = log2N где N mdash мощность алфавита Следовательно в 2-х

символьном алфавите каждый символ ―весит 1 бит (log22 = 1) в 4-х символьном

алфавите каждый символ несет 2 бита информации (log24 = 2) в 8-ми символьном mdash

3 бита (log2= 3) и тд Один символ из алфавита мощностью 256 (28) несет в тексте 8

бит информации Такое количество информации называется байт Алфавит из 256

символов используется для представления текстов в компьютере 1 байт = 8 бит

Если весь текст состоит из К символов то при алфавитном подходе размер

содержащейся в нем информации равен

I = К х i где i mdash информационный вес одного символа в используемом

алфавите

Информационный объем сообщения (информационная емкость

сообщения) ndash количество информации в сообщении измеренное в битах байтах или

производных единицах (Кбайтах Мбайтах и т д) Пример 1 Книга набранная с

помощью компьютера содержит 150 страниц на каждой странице mdash 40 строк b в

каждой строке mdash 60 символов Каков объем информации в книге

Решение Мощность компьютерного алфавита равна 256 Один символ несет 1 байт

информации Значит страница содержит 40 х 60 = 2400 байт информации Объем

всей информации в книге (в разных единицах)2400 х 150 == 360 000 байт

3600001024 = 3515625 Кбайт 35156251024 = 034332275 Мбайт

- 10 -

Глава 2 АРХИТЕКТУРА ЭВМ

21 История развития средств вычислительной техники ndash пять

поколений ЭВМ

22 Блок- схема ЭВМ (блок-схема по Нейману)

23 Блок- схема ПК Принцип открытой архитектуры

24 Характеристики вычислительных систем

25 Центральный процессор и микропроцессор

26 Системная плата

27 Внутренняя и внешняя память

210 Устройства ввода-вывода данных

Структура ЭВМ фон Неймана

Код

операции

Признаки

Команды

Операнды

Результаты

Исходные

данные

Программа

УВВ

ОЗУ

ВЗУ

АЛУ

УУ

Результаты

Адреса

- 11 -

bull Принципы Джон фон Неймана 1) принцип программного управления (программа состоит из набора команд которые выполняются процессором друг за другом в определенной последовательности) 2) принцип однородности памяти (программы и данные хранятся в одной и той же памяти) 3) принцип адресности (ОП состоит из пронумерованных ячеек и процессору в любой момент времени доступна любая ячейка)

- 12 -

Поколения ЭВМ

1На основе электронных ламп

2На основе электронных ламп и

дискретных транзисторных

логических элементов

3Семейства машин с единой

архитектурой

интегральные схемы

4Проектировались в расчете на

эффективное использование

современных высокоуровневых

языков

Поколения ЭВМ

1На основе электронных ламп

2На основе электронных ламп и

дискретных транзисторных

логических элементов

3Семейства машин с единой

архитектурой

интегральные схемы

4Проектировались в расчете на

эффективное использование

современных высокоуровневых

языков

- 13 -

Т

Основы построения ЭВМ

bull Принципы функционирования

универсальных вычислительных

устройств

bull 1 Принцип программного управления

bull 2 Принцип однородности памяти

bull 3 Принцип адресности

Поколения ЭВМ

- 14 -

Языки

сверхвысокого

Уровня

Сенсорные

Устройства

Оптические

диски

ДоскаСверхбольшие

Интегральные

схемы

90-нв5

Языки высокого

уровня

Интерактивные

устройства

ВинчестерыСтолБольшие

интеграль

ные

схемы

(БИС)

70ndash804

Алгоритмические

языки

ДисплеиМагнитные

диски

ШкафИнтегральные

схемы (ИС)

60ndash703

Автокоды

(ассемблер)

ТелетайпыМагнитные

ленты

КомнатаТранзисторы50ndash602

Машинные

языки

ПерфораторыМагнитный

барабан

Машинный

зал

Лампы40ndash501

ЯзыкиInoutНакопителиГабаритыЭлементыГодыПоколение

Глава 3 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

31 Развитие программного обеспечения

32Состав Microsoft Office

33 История языков программирования

Microsoft Word (часто mdash MS Word WinWord или просто Word) mdash это текстовый

процессор предназначенный для создания просмотра и редактирования текстовых

документов с локальным применением простейших форм таблично-матричных

алгоритмов Текстовый процессор выпускается корпорацией Microsoft в составе

пакета Microsoft Office Первая версия была написана Ричардом Броди (Richard

Brodie) для IBM PC использующих DOS в 1983 году Позднее выпускались версии

для Apple Macintosh (1984) SCO UNIX и Microsoft Windows (1989)

Microsoft Word многим обязан Bravo mdash текстовому процессору с оригинальным

графическим интерфейсом разработанному в исследовательском центре laquoXerox

PARCraquo Создатель Bravo Чарльз Симони (Charles Simonyi) покинул PARC в 1981

году Тем же летом Симони переманил Броди с которым вместе работал над Bravo

Первый выпуск Word для MS-DOS состоялся в конце 1983 года Он был плохо принят

рынком продажи снижало наличие конкурирующего продукта mdash WordPerfect

Однако версия для Макинтоша выпущенная в 1985 году получила широкое

распространение Через два года laquoWord 301 для Macintoshraquo усилил позиции (версия 30

изобиловала ошибками и быстро была заменена) Как и прочее программное обеспечение

для Макинтоша Word был полностью WYSIWYG-редактором (принцип laquoWhat You See Is

What You Getraquo mdash laquoполучаю то что вижуraquo)

- 15 -

Хотя MS-DOS и являлась текстовой операционной системой лишѐнной графической

оболочки Word для DOS был первым текстовым процессором для IBM PC который был

способен отображать разметку текста например полужирный или курсивный текст в

процессе редактирования Однако он всѐ же не являлся в полном смысле WYSIWYG-

редактором Другие же текстовые процессоры такие как WordStar и WordPerfect

использовали простой текстовый экран с кодами разметки иногда текст был цветным

Однако поскольку в большинстве программного обеспечения под DOS применялись

собственные труднозапоминаемые комбинации laquoгорячих клавишraquo для каждой команды

(например в Wordrsquoе для DOS сохранение файла выполнялось по комбинации ESC-T-S) и

большинство секретарей умели пользоваться только WordPerfect компании весьма

неохотно переходили на конкурирующие с ним продукты имеющие сравнительно

небольшие преимущества

Первая версия Word для Windows выпущенная в 1989 году продавалась по цене 500

долларов США Она демонстрировала выбранный компанией Майкрософт путь развития

как и сама Windows она многое взяла от Macintosh и использовала стандартные

клавиатурные сокращения (например CTRL-S для сохранения файла) После выпуска в

следующем году Windows 30 продажи поползли вверх (Word 10 гораздо лучше работал с

Windows 30 чем с более старыми версиями Windows386 и Windows286) главный

конкурент mdash WordPerfect mdash не смог выпустить рабочую версию под Windows что

оказалось для него смертельной ошибкой Версия 20 утвердила WinWord на позиции

лидера рынка

У Word для Macintosh никогда не было серьѐзных конкурентов даже несмотря на наличие

программ вроде Nisus предоставлявшую возможность выделения нескольких несвязных

кусков текста (появившуюся только в Word 2002 из Office XP) и несмотря на мнение

многих пользователей об отсутствии кардинальных различий между версиями 301

выпущенной в 1987 году и версией 50 выпущенной в 1991 Однако версия 60 для

Macintosh вышедшая в 1994 году была многими воспринята довольно скептически Это

была первая версия без значительных отличий в коде ядра между версиями под Windows и

под Mac Версия под Windows следовавшая за 20 была пронумерована как 60 для

координации названия версий под разные платформы

Последовавшие версии добавляли возможности выходящие за рамки простого текстового

процессора Инструменты рисования позволяли выполнять примитивные операции

вѐрстки такие как добавление графики в документ хотя естественно

специализированные программы для вѐрстки лучше справляются с этими задачами

Внедрение объектов сравнение версий документа мультиязычная поддержка и многие

другие возможности были добавлены за последовавшие несколько лет

Microsoft Word является наиболее популярным из используемых в данный момент

текстовых процессоров что сделало его бинарный формат документа стандартом де-

факто и многие конкурирующие программы имеют поддержку совместимости с данным

форматом Расширение laquodocraquo на платформе IBM PC стало синонимом двоичного формата

Word 97mdash2000 Фильтры экспорта и импорта в данный формат присутствуют в

большинстве текстовых процессоровФормат документа разных версий Word меняется

различия бывают довольно тонкими Форматирование нормально выглядящее в

последней версии может не отображаться в старых версиях программы однако есть

ограниченная возможность сохранения документа с потерей части форматирования для

открытия в старых версиях продукта Последняя версия MS Word 2007 использует по

умолчанию формат основанный на XML - Microsoft Office Open XML Спецификация

- 16 -

форматов файлов Word 97-2007 были опубликован Microsoft в 2008 году[1][2]

Ранее

большая часть информации нужной для работы с данным форматом добывалась

посредством обратного инжиниринга поскольку основная еѐ часть отсутствовала в

открытом доступе или была доступна лишь ограниченному числу партнеров и

контролирующих организаций

Как и прочие приложения из Microsoft Office Word может расширять свои возможности

посредством использования встроенного макроязыка (сначала использовался WordBasic с

версии Word 97 применяется VBA mdash Visual Basic для приложений) Однако это

предоставляет широкие возможности для написания встраиваемых в документы вирусов

(так называемые laquoмакровирусыraquo) Наиболее ярким примером была эпидемия червя

Melissa В связи с этим многие считают разумной рекомендацию всегда выставлять

наивысший уровень настроек безопасности при использовании Word (Меню

laquoToolsgtMacrogtSecurityraquo laquoСервисgtМакросgtБезопасностьhellipraquo в локализованных русских

версиях) Также нелишним будет использовать антивирусное программное обеспечение

Первым вирусом заражавшим документы Microsoft Word был DMV созданный в декабре

1994 года Дж МакНамарой для демонстрации возможности создания макровирусов

Первым же вирусом попавшим в дикую природу и вызвавшим первую в мире

эпидемию макровирусов (это произошло в июле-августе 1995 г) был Concept

12 августа 2009 года суд штата Техас запретил продажу программы Word на территории

США в связи с тем что Microsoft незаконно использует метод чтения XML-файлов

патент на который принадлежит канадской компании i4i [3]

В 1982 году Microsoft запустила на рынок первый электронный табличный процессор

Multiplan который был очень популярен на CPM системах но на MS-DOS системах он

уступал Lotus 1-2-3 Первая версия Excel предназначалась для Mac и была выпущена в

1985 году а первая версия для Windows была выпущена в ноябре 1987 года Lotus не

торопилась выпускать 1-2-3 под Windows и Excel с 1988 года начала обходить по

продажам 1-2-3 что в конечном итоге помогло Microsoft достичь позиций ведущего

разработчика программного обеспечения Microsoft укрепляла свое преимущество с

выпуском каждой новой версии что имело место примерно каждые два года Текущая

версия для платформы Windows mdash Excel 12 также известная как Microsoft Office Excel

2007 Текущая версия для платформы Mac OS X mdash Microsoft Excel 2008

В начале своего пути Excel стал причиной иска о товарном знаке от другой компании уже

продававшей пакет программ под названием laquoExcelraquo В результате спора Microsoft был

обязана использовать название laquoMicrosoft Excelraquo во всех своих официальных пресс-

релизах и юридических документах Однако со временем эта практика была позабыта и

Microsoft окончательно устранила проблему приобретя товарный знак другой программы

Microsoft также решила использовать буквы XL как сокращенное название программы

иконка Windows-программы состоит из стилизованного изображения этих двух букв а

расширение файлов по умолчанию в Excel mdash xls В сравнении с первыми табличными

процессорами Excel представляет множество новых функций пользовательского

интерфейса но суть остается прежней как и в программе-родоначальнике VisiCalc

ячейки расставляются в строки и столбцы и могут содержать данные или формулы с

относительными или абсолютными ссылками на другие клетки

Excel был первым табличным процессором позволявшим пользователю менять внешний

вид таблицы (шрифты символы и внешний вид ячеек) Он также первым представил

метод умного пересчета ячеек когда обновляются только те ячейки которые зависят от

- 17 -

измененных ячеек (раньше табличные процессоры либо постоянно пересчитывали все

ячейки или ждали команды пользователя)

Будучи впервые объединенными в Microsoft Office в 1993 году Microsoft Word и Microsoft

PowerPoint получили новый графический интерфейс для соответствия Excel главного

стимула модернизации ПК в то время

Начиная с 1993 года в состав Excel входит Visual Basic для приложений (VBA) язык

программирования основанный на Visual Basic позволяющий автоматизировать задачи

Excel VBA является мощным дополнением к приложению и в более поздних версиях

Excel доступна полнофункциональная интегрированная среда разработки Можно создать

VBA-код повторяющий действия пользователя и таким образом автоматизировать

простые задачи VBA позволяет создавать формы для общения с пользователем Язык

поддерживает использование (но не создание) DLL от ActiveX более поздние версии

позволяют использовать элементы объектно-ориентированного программирования

Функциональность VBA делала Excel легкой мишенью для макровирусов И это было

серьезной проблемой до тех пор пока антивирусные продукты не научились

обнаруживать их Фирма Microsoft с опозданием приняв меры для уменьшения риска

добавила возможность выбора режима безопасности

Идея PowerPoint появилась у Боба Гаскинса (Bob Gaskins) студента университета Беркли

который решил что наступает век графических интерактивных материалов В 1984 году

Гаскинс присоединился к провальной компании Forethought и нанял разработчика

Денниса Остина (Dennis Austin) Боб и Деннис объединили усилия и создали программу

Presenter Деннис создал оригинальную версию программы с Томом Рудкиным (Tom

Rudkin) Позже Боб решил сменить имя на PowerPoint которое и стало названием

конечного продукта

В 1987 году вышел PowerPoint 10 для Apple Macintosh Он работал в черно-белом цвете

Вскоре появились цветные Macintosh и новая версия PowerPoint не заставила себя ждать

Программное руководство с первой редакцией было уникально Это была книга синего

цвета в твердом переплете Компания Forethought считала что это лучше чем куча

исполняемых файлов помощи на компьютере и инструкций в электронном виде Но

обновление инструкции было необоснованно дорого Идея с подобными книгами была

вскоре заброшена

Позже в 1987 году Forethought и ее продукт были куплены Microsoft за 14 млн $ В 1990

году вышла версия для Windows C 1990 года PowerPoint стал стандартом в наборе

программ Microsoft Office

В 2002 году вышла версия PowerPoint которая не только была включена в пакет Microsoft

Office XP но также распространялась как отдельный продукт В нем появились такие

функции как сравнение и смешение изменений в презентации возможность задавать пути

анимации для индивидуальных форм создание пирамидальных радиальных и целевых

диаграмм а также кругов Эйлера панель задач для просмотра и выбора объектов буфера

обмена защита презентации паролем автоматическая генерация фотоальбома а также

―умные теги для быстрого выбора формата текста скопированного в презентацию

Microsoft PowerPoint 2003 не сильно отличается от предшественника Он увеличивает

эффективность работы в группе и теперь имеет возможность создания ―Пакета для CD

- 18 -

который легко позволяет скопировать презентацию с мультимедийным содержанием и

просмотрщик на компакт диск

Текущая версия Power Point 2007 привносит основные изменения в интерфейс программы

и увеличивает графические возможности

PowerPoint является частью Microsoft Office Это позволило PowerPoint стать наиболее

распространенной во всем мире программой для создания презентаций Файлы

презентаций PowerPoint часто пересылаются пользователями программы на другие

компьютеры что означает необходимую совместимость с ними программ конкурентов

Однако поскольку Power Point имеет возможность подключения элементов других

приложений через OLE некоторые презентации становятся сильно привязанными к

платформе Windows что делает невозможным открытие данных файлов например в

версии для Mac OS Это привело к переходу на открытые стандарты такие как PDF и

OASIS OpenDocument

Глава 4 АЛГОРИТМИЗАЦИЯ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

41 Структурный подход к разработке алгоритмов и программ

42 Основные структуры и операторы VBA

43 Примеры на VBA

- 19 -

Глава 5ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ

Компьютерные сети

Понятие компьютерной сети

Компьютерная сеть (Computer Network) ndash это множество компьютеров соединенных

линиями связи и работающих под управлением специального программного обеспечения

Под линией связи обычно понимают совокупность технических устройств и

физической среды обеспечивающих передачу сигналов от передатчика к приемнику В

реальной жизни примерами линий связи могут служить участки кабеля и усилители

обеспечивающие передачу сигналов между коммутаторами телефонной сети На основе

линий связи строятся каналы связи

Каналом связи обычно называют систему технических устройств и линий связи

обеспечивающую передачу информации между абонентами Соотношение между

понятиями канал и линия описывается следующим образом канал связи может

включать в себя несколько разнородных линий связи а одна линия связи может

использоваться несколькими каналами

Главной целью объединения компьютеров в сеть является предоставление пользователям

возможности доступа к различным информационным ресурсам (например документам

программам базам данных и тд) распределенным по этим компьютерам и их

совместного использования

Важной характеристикой любой компьютерной сети является широта территории

которую она охватывает Широта охвата определятся взаимной удаленностью

компьютеров составляющих сеть и следовательно влияет на технологические решения

выбираемые при построении сети Классически выделяют два типа сетей локальные сети

и глобальные сети

К локальным сетям (Local Area Network LAN) обычно относят сети компьютеры

которых сосредоточены на относительно небольших территориях (как правило в радиусе

до 1-2 км) Классическим примером локальных сетей является сеть одного предприятия

расположенного в одном или нескольких стоящих рядом зданиях Небольшой размер

локальных сетей позволяет использовать для их построения достаточно дорогие и

высококачественные технологии что обеспечивает высокую скорость обмена

информацией между компьютерами

Глобальные сети (Wide Area Network WAN) ndash это сети предназначенные для

объединения отдельных компьютеров и локальных сетей расположенных на

значительном удалении (сотни и тысячи километров) друг от друга Поскольку

организация специализированных высококачественных каналов связи большой

протяженности является достаточно дорогой то в глобальных сетях нередко

используются уже существующие и изначально не предназначенные для построения

компьютерных сетей линии (например телефонные или телеграфные) В связи с этим

скорость передачи данных в таких сетях существенно ниже чем в локальных

Независимо от того какую территорию покрывает сеть какие технологические решения

лежат в основе ее организации существуют общие принципы сетевого взаимодействия

которым должно подчиняться функционирование сети Именно выработка таких общих

- 20 -

принципов способствовала в свое время появлению Интернет (Internet) как объединенной

сети (иногда даже используется термин гиперсеть) собравшей в своем составе

локальные городские и глобальные сети всей планеты

Модель сетевого взаимодействия

В 1984 году Международной Организацией по Стандартизации (International Standard

Organization ISO) была разработана модель взаимодействия открытых систем (Open

Systems Interconnection OSI) Модель представляет собой международный стандарт для

проектирования сетевых коммуникаций и предполагает уровневый подход к построению

сетей Каждый уровень модели обслуживает различные этапы процесса взаимодействия

Посредством деления на уровни сетевая модель OSI упрощает совместную работу

оборудования и программного обеспечения Модель OSI разделяет сетевые функции на

семь уровней прикладной уровень представления сессионный транспортный сетевой

канальный и физический

Физический уровень (Physical layer) определяет способ физического соединения

компьютеров в сети Функциями средств относящихся к данному уровню являются

побитовое преобразование цифровых данных в сигналы передаваемые по физической

среде (например по кабелю) а также собственно передача сигналов

Канальный уровень(Data Link layer) отвечает за организацию передачи данных между

абонентами через физический уровень поэтому на данном уровне предусмотрены

средства адресации позволяющие однозначно идентифицировать отправителя и

получателя во всем множестве абонентов подключенных к обще линии связи В функции

данного уровня также входит упорядочивание передачи с целью параллельного

использования одной линии связи несколькими парами абонентов Кроме того средства

канального уровня обеспечивают проверку ошибок которые могут возникать при

передаче данных физическим уровнем

Сетевой уровень(Network layer) обеспечивает доставку данных между компьютерами

сети представляющей собой объединение различных физических сетей Данный уровень

предполагает наличие средств логической адресации позволяющих однозначно

- 21 -

идентифицировать компьютер в объединенной сети Одной из главных функций

выполняемых средствами данного уровня является целенаправленная передача данных

конкретному получателю

Транспортный уровень(Transport layer) реализует передачу данных между двумя

программами функционирующими на разных компьютерах обеспечивая при этом

отсутствие потерь и дублирования информации которые могут возникать в результате

ошибок передачи нижних уровней В случае если данные передаваемые через

транспортный уровень подвергаются фрагментации то средства данного уровня

гарантируют сборку фрагментов в правильном порядке

Сессионный (или сеансовый) уровень (Session layer) позволяет двум программам

поддерживать продолжительное взаимодействие по сети называемое сессией (session)

или сеансом Этот уровень управляет установлением сеанса обменом информацией и

завершением сеанса Он также отвечает за идентификацию позволяя тем самым только

определенным абонентам принимать участие в сеансе и обеспечивает работу служб

безопасности с целью упорядочивания доступа к информации сессии

Уровень представления(Presentation layer) осуществляет промежуточное

преобразование данных исходящего сообщения в общий формат который предусмотрен

средствами нижних уровней а также обратное преобразование входящих данных из

общего формата в формат понятный получающей программе

Основные принципы уровневого взаимодействия

При уровневой организации процесса взаимодействия должны соблюдаться следующие

требования

компоненты одного уровня одной системы могут взаимодействовать с

компонентами только того же уровня другой системы

в рамках одной системы компоненты какого-либо уровня могут взаимодействовать

только с компонентами смежных (вышележащего и нижележащего) уровней

Набор правил определяющих порядок взаимодействия средств относящихся к одному и

тому же уровню и функционирующих в разных системах называется протоколом

(protocol) Правила взаимодействия между собой средств относящихся к смежным

уровням и функционирующих в одной системе называются интерфейсом (interface)

Функции физического уровня

Физический уровень определяет способ физического соединения компьютеров в сети

Основными функциями средств относящихся к данному уровню является побитовое

преобразование цифровых данных в сигналы среды передачи а также собственно

передача сигналов по физической среде

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно распространение

информационных сигналов в виде электрических световых и тп импульсов В настоящее

время выделяют два основных типа физических соединений соединения с помощью

кабеля и беспроводные соединения

- 22 -

Кабель (cable) используемый для построения компьютерных сетей представляет собой

сложную конструкцию состоящую в общем случае из проводников изолирующих и

экранирующих слоев В современных сетях используются три типа кабеля

Каждый тип кабеля отличается от других внутренним устройством и обладает целым

набором технических характеристик влияющих на основные потребительские параметры

сетей

Тип кабеля Характеристика

Максимальное

расстояние передачи

Максимальная

скорость передачи

Коаксиальный

кабель 185 ndash 500 м 10 Мбитс

Витая пара 30 ndash 100 м 10 Мбитс ndash 1

Гбитс

Оптоволоконный

кабель 2 км

10 Мбитс ndash 2

Гбитс

Топология сети - способ соединения компьютеров с помощью физической среды

Если сеть состоит всего из двух компьютеров то они соединяются напрямую Такой

способ соединения получил название точка-точка (point-to-point)

Выделяют три базовые топологии Шина (bus) Кольцо (ring) Звезда(star)

laquoШинаraquo - использует один передающий канал на базе коаксиального кабеля называемый

шиной Все сетевые компьютеры присоединяются напрямую к шине На концах кабеля-

шины устанавливаются специальные заглушки - терминаторы (terminator) Они

необходимы для того чтобы погасить сигнал после прохождения по шине К недостаткам

топологии Шина следует отнести следующее

данные предаваемые по кабелю доступны всем подключенным компьютерам

в случае повреждения шины вся сеть перестает функционировать

laquoКольцоraquo - характерно отсутствие конечных точек соединения сеть замкнута образуя

неразрывное кольцо по которому передаются данные Эта топология подразумевает

следующий механизм передачи данные передаются последовательно от одного

компьютера к другому пока не достигнут компьютера-получателя Недостатки топологии

кольцо те же то и у топологии шина

общедоступность данных

неустойчивость к повреждениям кабельной системы

В сети с топологией звезда все компьютеры соединены со специальным устройством

называемым сетевым концентратором или хабом (hub) который выполняет функции

- 23 -

распределения данных Прямые соединения двух компьютеров в сети отсутствуют

Благодаря этому имеется возможность решения проблемы общедоступности данных а

также повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы Однако

функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора

Канальный уровень - отвечает за организацию передачи данных между абонентами

через физический уровень поэтому на данном уровне предусмотрены средства адресации

позволяющие однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к общему физическому каналу В функции данного

уровня также входит упорядочивание передачи с целью обеспечения возможности

параллельного использования одного физического канала несколькими парами абонентов

Средства канального уровня обеспечивают проверку ошибок которые могут возникать

при передаче данных физическим уровнем Большинство функций канального уровня

выполняются устройствами передачи данных (например сетевым адаптером)

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена способ

представления информации а также необходимый набор правил позволяющий

упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток битов Перед

передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с принципом пакетной

коммутации разделяется на порции каждая из которых снабжается заголовком

содержащим некоторую служебную информацию те формируется пакет На канальном

уровне пакет называется кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает протокол Сложность

канальных протоколов во многом определяется сложностью топологии сети Очевидно

что организовать общение всего двух абонентов существенно проще чем упорядочивать

информационный обмен в сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких

пар абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Сетевой уровень - сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

- 24 -

адресации определенных различными технологиями Поэтому для обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого уровня модели OSI Устройства этого уровня предназначенные для объединения сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку составной сети Процесс определения пути прохождения данных через подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название маршрутизаторов

Транспортный уровень Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных

между устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд) Однако

не следует забывать что на одном узле может функционировать параллельно несколько

программ которым требуется доступ к сети Следовательно данные внутри

компьютерной системы должны распределяться между программами Поэтому при

передаче данных по сети недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо

также идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является отсутствие средств

позволяющих передавать большие массивы данных Когда исходные данные превышают

максимально допустимый размер пакета сетевого уровня то эти данные должны быть

разбиты на порции каждая из которых передается в сеть отдельным пакетом Однако

каждый пакет сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других

блок данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и следовательно ndash

обнаружить нарушение целостности общего массива данных Поэтому средства

транспортного уровня обеспечивают отсутствие потерь информации Такой режим

передачи данных получил название гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой функциональную

надстройку над сетевым уровнем и решают две основных задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

- 25 -

обеспечение гарантированной доставки массивов данных произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash UDP

обеспечивающий негарантированную доставку данных между программами и TCP

обеспечивающий гарантированную доставку с установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной уровень - Компоненты четырех

нижних уровней модели OSI (физического канального сетевого и транспортного)

представляют собой механизм обеспечивающий доставку данных любого типа и

произвольного объема между программами работающими на разных узлах составной

сети Однако при работе в сети пользователям требуется не просто пересылка данных а

выполнение каких-либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех возможностей

которые предоставляют средства нижних уровней недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо просмотреть

документ расположенный не на его локальном компьютере а на удаленной машине

Решение такой задачи предполагает как минимум прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса содержащего имя

документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной машины

изменений вносимых в этот документ другими пользователями и уведомление об этом

пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав пользователя на

работу с документом что предполагает дополнительный обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних уровней не имеют

средств позволяющих реализовать специфику такого взаимодействия Поэтому для его

организации требуются дополнительные надстройки над средствами транспортного и

нижележащих уровней В эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный

уровень уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или сессии) при

длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое (виртуальное) соединение между

двумя программами в общем случае функционирующими на разных компьютерах В

простейшем случае установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти необходимых для

приема и передачи данных После окончания передачи данных происходит закрытие

соединения предполагающее освобождение выделенных ресурсов Во многих случаях

этого недостаточно поэтому сессионный уровень предлагает более сложные механизмы

для организации сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая поддержка

осуществляется путем периодической отправки специальных тестовых пакетов при

получении которых участник соединения должен ответить Возвращаясь к

предложенному выше примеру следует отметить что установление соединения при

работе с удаленным документом позволяет один раз перед началом работы проверить

- 26 -

права доступа пользователя а также один раз передать запрос с именем файла В случае

если бы соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог бы

уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться дополнительное

преобразование Например это необходимо в случае если взаимодействующие

программы используют различные способы кодировки текстовой информации или если

для обеспечения защиты информации требуется осуществлять шифрование данных

Обеспечение подобных промежуточных преобразований возложено на уровень

представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными уровнями Они

позволяют осуществлять работу с различными информационными ресурсами сети

например файлами или сообщениями электронной почты Естественно что различные

типы ресурсов в общем случае требуют различных методов обработки и в том числе

методов сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI является

прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции работы с конкретными

информационными объектами В предложенном выше примере (чтение удаленного

документа) к функциям прикладного протокола относятся формирование запросов на

получение документа проверка прав доступа а также определение порядка пересылки

файлов и уведомлений об изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами определяемых

протоколами прикладного уровня часть функций сессионного уровня и уровня

представления может оказаться избыточной поэтому при программной реализации три

верхних уровня обычно объединяются

Модель сетевого взаимодействия

В 1984 году Международной Организацией по Стандартизации (International

Standard Organization ISO) была разработана модель взаимодействия

открытых систем (Open Systems Interconnection OSI) Модель представляет

собой международный стандарт для проектирования сетевых коммуникаций

и предполагает уровневый подход к построению сетей Каждый уровень

модели обслуживает различные этапы процесса взаимодействия

Посредством деления на уровни сетевая модель OSI упрощает совместную

работу оборудования и программного обеспечения Модель OSI разделяет

сетевые функции на семь уровней прикладной уровень представления

сессионный транспортный сетевой канальный и физический

Ниже дается краткая характеристика уровней модели

Физический уровень (Physical layer) определяет способ физического

соединения компьютеров в сети Функциями средств относящихся к

данному уровню являются побитовое преобразование цифровых

- 27 -

данных в сигналы передаваемые по физической среде (например по

кабелю) а также собственно передача сигналов

Канальный уровень(Data Link layer) отвечает за организацию передачи

данных между абонентами через физический уровень поэтому на

данном уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к обще линии связи В функции

данного уровня также входит упорядочивание передачи с целью

параллельного использования одной линии связи несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем

Сетевой уровень(Network layer) обеспечивает доставку данных между

компьютерами сети представляющей собой объединение различных

физических сетей Данный уровень предполагает наличие средств

логической адресации позволяющих однозначно идентифицировать

компьютер в объединенной сети Одной из главных функций

выполняемых средствами данного уровня является целенаправленная

передача данных конкретному получателю

Транспортный уровень(Transport layer) реализует передачу данных

между двумя программами функционирующими на разных

компьютерах обеспечивая при этом отсутствие потерь и дублирования

информации которые могут возникать в результате ошибок передачи

нижних уровней В случае если данные передаваемые через

транспортный уровень подвергаются фрагментации то средства

данного уровня гарантируют сборку фрагментов в правильном

порядке

Сессионный (или сеансовый) уровень (Session layer) позволяет двум

программам поддерживать продолжительное взаимодействие по сети

называемое сессией (session) или сеансом Этот уровень управляет

установлением сеанса обменом информацией и завершением сеанса

Он также отвечает за идентификацию позволяя тем самым только

определенным абонентам принимать участие в сеансе и обеспечивает

работу служб безопасности с целью упорядочивания доступа к

информации сессии

Уровень представления(Presentation layer) осуществляет

промежуточное преобразование данных исходящего сообщения в

общий формат который предусмотрен средствами нижних уровней а

также обратное преобразование входящих данных из общего формата в

формат понятный получающей программе

Прикладной уровень (Application layer) предоставляет

высокоуровневые функции сетевого взаимодействия такие как

передача файлов отправка сообщений по электронной почте и тп

Основные принципы уровневого взаимодействия

- 28 -

При уровневой организации процесса взаимодействия должны соблюдаться

следующие требования

компоненты одного уровня одной системы могут взаимодействовать с

компонентами только того же уровня другой системы

в рамках одной системы компоненты какого-либо уровня могут

взаимодействовать только с компонентами смежных (вышележащего и

нижележащего) уровней

Порядок уровневого взаимодействия

Набор правил определяющих порядок взаимодействия средств относящихся

к одному и тому же уровню и функционирующих в разных системах

называется протоколом (protocol) Правила взаимодействия между собой

средств относящихся к смежным уровням и функционирующих в одной

системе называются интерфейсом (interface)

Практическая реализация уровневого взаимодействия

На практике протоколы и интерфейсы регламентируют технические

требования предъявляемые к программным и аппаратным средствам

Программные (аппаратные) модули предназначенные для обеспечения

практического взаимодействия определяемого тем или иным протоколом

(или интерфейсом) обычно называют реализацией протокола (или

интерфейса)

Хотя различные компоненты относящиеся к различным уровням сетевой

модели формально должны быть функционально независимыми друг от

друга при практической разработке протоколов такая независимость не

всегда выдерживается Это объясняется тем что попытка добиться точного

соответствия эталонной модели может привести к неэффективности работы

программно-аппаратного обеспечения реализующего протокол В настоящее

время наблюдается два типа отклонений возникающих при реализации

уровневого взаимодействия

- 29 -

функции некоторых уровней могут объединяться одним протоколом и

наоборот ndash функции одного уровня могут делиться между различными

протоколами

функционирование протокола какого-либо уровня подразумевают

использование только определенных протоколов нижележащего

уровня

Поэтому разработка практических методов сетевого взаимодействия как

правило подразумевает разработку не отдельных протоколов а целых

наборов протоколов Такие наборы обычно включают в себя протоколы

относящиеся к нескольким смежным уровням эталонной модели OSI и

называются стеками (или семействами наборами) протоколов (protocol stack

protocol suite) Наиболее известным стеком протоколов обеспечивающим

взаимодействие в сети Интернет является стек протоколов TCPIP

Физический уровень

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Среда передачи

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Физический уровень определяет способ физического соединения

компьютеров в сети Основными функциями средств относящихся к

данному уровню является побитовое преобразование цифровых данных в

сигналы среды передачи а также собственно передача сигналов по

физической среде

Кабельные системы

- 30 -

Кабель (cable) используемый для построения компьютерных сетей

представляет собой сложную конструкцию состоящую в общем случае из

проводников изолирующих и экранирующих слоев В современных сетях

используются три типа кабеля

Еще одним важным понятием физического уровня является способ

соединения компьютеров с помощью физической среды или топология сети

Если сеть состоит всего из двух компьютеров то они соединяются

напрямую Такой способ соединения получил название точка-точка

(point-to-point)

Соединение типа точка-точка

Для обеспечения связи более чем двух компьютеров может использоваться

последовательность соединений типа точка-точка

Последовательность соединений типа точка-точка

Однако такой подход требует установки на большую часть компьютеров

нескольких устройств передачи данных

В качестве альтернативного подхода возможно использование более

сложных топологий позволяющих подключить к общей среде сразу

несколько компьютеров имеющих по одному устройству передачи данных

- 31 -

Выделяют три базовые топологии Шина (bus) Кольцо (ring)

Звезда(star)

Топология laquoШинаraquo

Топология Шина

Эта топология использует один передающий канал на базе коаксиального

кабеля называемый шиной Все сетевые компьютеры присоединяются

напрямую к шине На концах кабеля-шины устанавливаются специальные

заглушки - терминаторы (terminator) Они необходимы для того чтобы

погасить сигнал после прохождения по шине К недостаткам топологии

Шина следует отнести следующее

данные предаваемые по кабелю доступны всем подключенным

компьютерам

в случае повреждения шины вся сеть перестает функционировать

Топология laquoКольцоraquo

Топология Кольцо

Для топологии кольцо характерно отсутствие конечных точек соединения

сеть замкнута образуя неразрывное кольцо по которому передаются данные

Эта топология подразумевает следующий механизм передачи данные

передаются последовательно от одного компьютера к другому пока не

- 32 -

достигнут компьютера-получателя Недостатки топологии кольцо те же то

и у топологии шина

общедоступность данных

неустойчивость к повреждениям кабельной системы

Топология laquoЗвездаraquo

Топология Звезда

В сети с топологией звезда все компьютеры соединены со специальным

устройством называемым сетевым концентратором или хабом (hub)

который выполняет функции распределения данных Прямые соединения

двух компьютеров в сети отсутствуют Благодаря этому имеется

возможность решения проблемы общедоступности данных а также

повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы Однако

функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора

Физическая и логическая топологии

Следует отметить что термин топология может употребляться для

обозначения двух понятий ndash физической топологии и логической топологии

Физическая топология ndash способ физического соединения компьютеров с

помощью среды передачи например участками кабеля Логическая

топология определяет маршруты передачи данных в сети Во многих

случаях физическая топология однозначно определяет логическую

топологию Однако существуют такие конфигурации в которых логическая

топология отличается от физической Например сеть с физической

- 33 -

топологией laquoзвездаraquo может иметь логическую топологию laquoшинаraquo ndash все

зависит от того каким образом устроен сетевой концентратор

Кодированиедекодирование данных Как известно данные обрабатываемые

компьютером представляются в двоичном виде - как последовательность

нулей и единиц Однако понятия нуль и единица являются логическими

понятиями обозначающими электрические сигналы отличающиеся друг от

друга физическими параметрами и использующиеся для представления

информации в различных устройствах например оперативной памяти или

центральном процессоре В силу различных технических причин эти сигналы

не всегда могут передаваться по физическим каналам связи Поэтому они

должны быть преобразованы Процесс преобразования сигналов удобных

для компьютера в сигналы которые могут быть переданы по сети

называется физическим кодированием а обратное преобразование -

декодированием

Передача сигналов Информационные сигналы передаются по физическим

линиям связи последовательно В случае если между передающей и

принимающей сторонами параллельно существуют более одной линии

например проложено несколько кабелей то оказывается возможным

одновременно (параллельно) передавать несколько сигналов Если эти

сигналы представляют различные биты передаваемых данных то

повышается скорость информационного обмена Если же сигналы

представляют один и тот же бит данных - то повышается надежность

взаимодействия

Канальный уровень

Канальный уровень отвечает за организацию передачи данных

между абонентами через физический уровень поэтому на данном

уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к общему физическому

каналу В функции данного уровня также входит упорядочивание

передачи с целью обеспечения возможности параллельного

использования одного физического канала несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем Большинство функций канального уровня

выполняются устройствами передачи данных (например сетевым

- 34 -

адаптером)

Метод коммутации

дной из центральных проблем организации передачи данных по физическим

каналам является проблема параллельного использования одного и того же

канала несколькими парами абонентов Методы лежащие в основе ее

решения получили название методов коммутации

В настоящее время существует два основных метода коммутации

коммутация каналов и коммутация пакетов

Коммутация каналов предполагает что перед началом передачи данных

должна быть выполнена процедура установления соединения в результате

которой образуется составной канал По окончании сеанса связи соединение

разрывается и канал освобождается Классическим примером реализации

коммутации каналов является телефонная связь которая подразумевает что

абонент перед началом разговора набирает номер второго абонента в

результате чего последовательное переключение промежуточных

коммутаторов позволяет образовать непрерывный канал связи между

абонентами Коммутация каналов удобна для организации линий связи в

которых подразумевается передача потоков данных постоянной

интенсивности например таких как телефонный разговор в силу чего этот

метод оказывается недостаточно гибким при построении компьютерных

сетей

Метод коммутации пакетов основан на разбиении передаваемых по сети

данных на небольшие порции Каждая такая порция передается по сети

как единое целое и называется пакетом Такой метод является очень

удобным для параллельного использования физического канала несколькими

парами абонентов канал является занятым только во время прохождения

пакета Временные промежутки между передачей пакетов одним абонентам

могут быть использованы другими для отправки собственных пакетов

Пакет обычно состоит из двух частей ndash заголовка содержащего служебные

данные необходимые для управления доставкой пакета и собственно

данных подлежащих передаче Порядок обмена пакетами а также

конкретный состав заголовка пакетов определяется сетевым протоколом

Для именования пакетов различных уровней модели OSI используются

специальные термины Для канального уровня используется термин кадр

для сетевого ndash пакет для транспортного ndash сегмент дейтаграмма для

сессионного и более высоких уровней ndash сообщение

- 35 -

Протоколы канального уровня

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена

способ представления информации а также необходимый набор правил

позволяющий упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток

битов Перед передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с

принципом пакетной коммутации разделяется на порции каждая из

которых снабжается заголовком содержащим некоторую служебную

информацию те формируется пакет На канальном уровне пакет называется

кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает

протокол Сложность канальных протоколов во многом определяется

сложностью топологии сети Очевидно что организовать общение всего двух

абонентов существенно проще чем упорядочивать информационный обмен в

сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких пар

абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Структура кадра данных

Состав заголовка кадра зависит от многих факторов определяемых набором

функций которые выполняет протокол Тем не менее можно выделить ряд

информационных полей которые обычно присутствуют в заголовке кадра К

таким полям относятся

1 Специальные поля предназначенные для определения границ кадров

Поскольку в физической среде могут постоянно проходить какие-либо

сигналы то сетевые адаптеры должны уметь разбираться в том когда

начинается передача кадра и когда она заканчивается

2 Поле предназначенное для определения протокола сетевого уровня

которому необходимо передать данные Так как на одном компьютере могут

функционировать программные модули различных протоколов сетевого

уровня то протоколы канального уровня должны уметь распределять данные

по этим протоколам

3 Контрольная сумма (или специальный код) содержимого кадра которая

позволяет принимающей стороне определить наличие ошибок в принятых

данных Принцип ее использования состоит в следующем Сетевой адаптер

отправляющего компьютера после формирования кадра вычисляет значение

- 36 -

его контрольной суммы на основе содержимого и помещает это значение в

заголовок кадра Принимающая сторона также вычисляет контрольную

сумму полученного кадра и сравнивает его со значением помещенным в

заголовке Если они не совпадают то это означает что во время передачи

кадра произошла ошибка

4 Поля предназначенные для адресации абонентов в сложных сетях

(определены для протоколов применяемых в сетях базирующихся на

сложных топологиях)

Обобщенная структура кадра данных

Протоколы для сетей сложных топологий

Протоколы канального уровня этой группы являются более сложными чем

протоколы использующиеся в сетях типа точка-точка так как вынуждены

выполнять ряд дополнительных функций Основными функциями являются

Выделение на всем множестве компьютеров подключенных к сети

конкретного абонента с которым осуществляется информационный обмен

то есть адресация

Адресация абонентов

Упорядочивание доступа к среде передачи в случае когда нескольким парам

абонентов требуется осуществить передачу данных

Для обеспечения адресации абонентов в заголовке кадров должны

присутствовать следующие поля

- 37 -

1 Адрес отправителя ndash некоторое число (или набор чисел) позволяющее

идентифицировать сетевой адаптер (а следовательно и компьютер в

котором она установлена) который осуществил передачу кадра данных в

сеть Адреса присваиваются сетевым адаптерам на заводе-изготовителе и

как правило не изменяются в дальнейшем хотя большинство современных

адаптеров позволяют перепрограммировать сетевой адрес

Протоколы канального уровня и сетевые технологии

Функциональный состав того или иного протокола канального уровня во

многом определяется особенностями физического уровня например

топологией сети или типом среды передачи Поэтому при проектировании

сетевого взаимодействия используются и разрабатываются комплексные

стандарты получившие название сетевых технологий

Сетевая технология ndash это набор стандартов определяющий минимальный

состав программно-аппаратных средств достаточный для организации

взаимодействия компьютеров в сети Как правило сетевая технология

определяет топологию сети а также протокол канального уровня (формат

кадра порядок обмена кадрами MTU)

В настоящее время существует большое количество сетевых технологий и

соответственно определяемых ими протоколов канального уровня

Рассмотрим для примера одну из наиболее популярных в настоящее время

технологий ndash технологию локальных сетей Ethernet Эта технология

предполагает что сеть должна строиться на основе физических топологий

шина если используется коаксиальный кабель или звезда если

используется кабель типа витая пара В зависимости от типа используемого

кабеля скорость передачи данных лежит в диапазоне 10-100 Мбитс В

качестве метода доступа к среде передачи используется метод обнаружения

коллизий (CSMACD) Что касается формата кадра то в настоящее время на

практике используются 4 варианта кадров Ethernet отличающихся друг от

друга но все они согласуются с общими положениями изложенными ранее

Максимальный объем данных передаваемых в одном кадре (MTU) в

технологии Ethernet не может превышать 1500 байт

Помимо технологии Ethernet в настоящее время в локальных сетях широко

используются технологии AppleTalk FDDI и ATM В глобальных сетях

широко распространены технологии ATM FrameRelay ISDN и SMDS

Существует также ряд технологий использующихся для организации

беспроводных сетей Наиболее популярной технологией применяемой при

- 38 -

построении локальных сетей в настоящее время является технология

RadioEthernet Она предполагает передачу данных в двух УКВ-диапазонах

около 915 МГЦ и 2400-24835 МГц а также в инфракрасном спектре

Диапазон 915 МГц в России и Европе достаточно сильно загружен

средствами связи (сотовая телефония) поэтому он используется как

правило для организации сетей внутри зданий хотя технически позволяет

осуществлять передачу на значительные расстояния Это же ограничение

распространяется и на инфракрасный диапазон поскольку инфракрасные

лучи чувствительны к погодным условиям В зависимости от того какой

режим передачи используется сети RadioEthernet позволяют осуществлять

передачу данных со скоростью 2 - 10 Мбитс Технология RadioEthernet

предполагает построение сетей на базе топологий точка-точка и звезда В

качестве метода доступа используется метод предупреждения коллизий

(CSMACA)

Наряду с кабельными и беспроводными технологиями существуют также

технологии предполагающие комбинирование различных типов физической

среды передачи Обычно они применяются для построения асимметричных

сетей небольшие по объему запросы пользовательских компьютеров

передаются по кабельным каналам например с использованием телефонных

линий и модемов а прием осуществляется через спутниковый радиоканал

Объединение сетей на канальном уровне

Сложные сети в общем случае представляют собой совокупность

нескольких сетей Такие сети называются объединенными сетями

(internetwork)

Необходимость объединения сетей может быть вызвана разными причинами

Прежде всего это - преодоление технических ограничений среды передачи

например максимального расстояния передачи данных Кроме того

построение сети как объединенной позволяет повысить надежность (выход

из строя одной физической среды не влияет на работу остальных) и

обеспечить определенный уровень конфиденциальности (данные

передаваемые между компьютерами одной физической среды оказываются

недоступными компьютерам других сетей)

Для построения объединенных сетей требуются специальные устройства

которые позволяют подключать к себе две (или более) сети Наиболее

простым устройством такого вида является мост (bridge)

Мост

- 39 -

Принцип функционирования моста достаточно прост для подключения сетей

мост располагает несколькими портами с каждым из которых связываются

записи так называемой адресной таблицы содержащей список адресов

компьютеров сетей подключенных к мосту Когда мост получает кадр

данных то он передает его в сеть через порт который согласно таблице

соответствует адресу получателя В случае если адрес получателя не

обнаружен в адресной таблице то кадр передается во все сети Адресные

таблицы мостов как правило строятся на основе анализа кадров

передаваемых по сетям

Функции сетевого уровня

Сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе

различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне

достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети

но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети

с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это

объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

адресации определенных различными технологиями Поэтому для

обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства

представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую

абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых

технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого

уровня модели OSI

Очевидно что устройства этого уровня предназначенные для объединения

сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального

уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную

передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть

определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку

составной сети Процесс определения пути прохождения данных через

подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства

объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название

маршрутизаторов

- 40 -

Протокол IP

Протокол IP (Internet Protocol) входит в состав стека протоколов TCPIP и

является основным протоколом сетевого уровня использующимся в

Интернет и обеспечивающим единую схему логической адресации устройств

в сети и маршрутизацию данных

Для выполнения своих функций протокол определяет свой собственный

формат пакета Основными информационными полями заголовка пакета

являются

IP-адреса отправителя и получателя ndash предназначены для

идентификации отправителя и получателя (см IP-адресация)

Время жизни пакета (Time To Live TTL) - определяет время которое

IP-пакет может находиться в сети и предназначено для

предотвращения захламления сети заблудившимися пакетами

поля предназначенные для фрагментации пакетов (см IP-

фрагментация)

поля предназначенные для управления обработкой пакета (длина

пакета и заголовка контрольная сумма заголовка тип обслуживания и

тд)

Существует 5 классов IP-адресов ndash A B C D E Принадлежность IP-

адреса к тому или иному классу определяется значением первого

октета (W) Ниже показано соответствие значений первого октета и

классов адресов

Класс IP-адреса A B C D E

Диапазон первого

октета

1-

126

128-

191

192-

223

224-

239

240-

247

IP-адреса первых трех классов предназначены для адресации

отдельных узлов и отдельных сетей Такие адреса состоят из двух

частей ndash номера сети и номера узла Такая схема аналогична схеме

почтовых индексов ndash первые три цифры кодируют регион а остальные

ndash почтовое отделение внутри региона

Преимущества двухуровневой схемы очевидны она позволяет во-

первых адресовать целиком отдельные сети внутри составной сети

что необходимо для обеспечения маршрутизации а во-вторых ndash

присваивать узлам номера внутри одной сети независимо от других

сетей Естественно что компьютеры входящие в одну и ту же сеть

должны иметь IP-адреса с одинаковым номером сети

- 41 -

IP-Маршрутизация ndash процесс выбора пути для передачи пакета в сети Под

путем (маршрутом) понимается последовательность маршрутизаторов через

которые проходит пакет по пути к узлу-назначению IP-маршрутизатор ndash это

специальное устройство предназначенное для объединения сетей и

обеспечивающее определение пути прохождения пакетов в составной сети

Маршрутизатор должен иметь несколько IP-адресов с номерами сетей

соответствующими номерам объединяемых сетей

Как известно для разных сетевых технологий значение MTU определенное

для кадров данных может отличаться Поэтому при преобразовании кадров

на маршрутизаторе может потребоваться разделение вложенных в них IP-

пакетов на более мелкие пакеты

Для разделения пакетов на фрагменты модуль IP установленный на

маршрутизаторе создает на его основе некоторое число новых пакетов (в

соответствии с длиной исходного пакета и значения MTU для сети куда

должны быть переданы данные) Для того чтобы данные могли быть

правильно собраны получателем в заголовки новых IP-пакетов помещается

специальный числовой идентификатор позволяющий однозначно

определить что эти пакеты являются фрагментами одного большого пакета

Кроме того в заголовках также указывается положения фрагментов в

исходном пакете что позволяет обеспечить правильный порядок сборки

получателем

Вспомогательные протоколы сетевого уровня стека TCPIP

Главными функциями протокола IP является обеспечение единой схемы

адресации независимой от принципов адресации определяемых сетевыми

технологиями (адресацией канального уровня) а также передача данных по

составной сети (маршрутизация и фрагментация пакетов) Однако для

организации реального взаимодействия этого оказывается недостаточно -

существует еще ряд проблем

Первая проблема состоит в следующем Для того чтобы передать данные по

сети программное обеспечение протокола IP создает пакет и передает его

средствам канального уровня При этом средствам канального уровня для

формирования кадра данных необходим адрес получателя причем не

логический IP-адрес а MAC-адрес который может быть правильно опознан

сетевым адаптером принимающего компьютера Однако спецификацией

протокола IP не предусмотрен механизм позволяющий определять

соответствие между аппаратными и IP-адресами Эту функцию выполняет

вспомогательный протокол сетевого уровня ARP (Address Resolution

Protocol) входящий в семейство протоколов TCPIP

- 42 -

Другая серьезная проблема состоит в том что если при обработке IP-пакета

на маршрутизаторе возникли какие-то проблемы например истекло время

жизни пакета то отправитель о них не узнает поскольку механизм

обратной связи также не предусмотрен спецификацией протокола IP Для

решения этой проблемы используется специальный протокол сетевого

уровня ICMP (Internet Control Message Protocol) входящий в стек протоколов

TCPIP и обеспечивающий передачу управляющей информации и

информации об ошибках

В семействе протоколов TCPIP предусмотрен также ряд других

вспомогательных протоколов например протоколы динамической

маршрутизации обеспечивающие обмен информацией между

маршрутизаторами с целью автоматизации построения таблиц

маршрутизации

Транспортный уровень

Функции транспортного уровня

Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных между

устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд)

Однако не следует забывать что на одном узле может функционировать

параллельно несколько программ которым требуется доступ к сети

Следовательно данные внутри компьютерной системы должны

распределяться между программами Поэтому при передаче данных по сети

недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо также

идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является

отсутствие средств позволяющих передавать большие массивы данных

Когда исходные данные превышают максимально допустимый размер пакета

сетевого уровня то эти данные должны быть разбиты на порции каждая из

которых передается в сеть отдельным пакетом Однако каждый пакет

сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других блок

данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и

следовательно ndash обнаружить нарушение целостности общего массива

данных Поэтому средства транспортного уровня обеспечивают отсутствие

потерь информации Такой режим передачи данных получил название

гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой

- 43 -

функциональную надстройку над сетевым уровнем и решают две основных

задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

обеспечение гарантированной доставки массивов данных

произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash

UDP обеспечивающий негарантированную доставку данных между

программами и TCP обеспечивающий гарантированную доставку с

установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной

уровень

Компоненты четырех нижних уровней модели OSI (физического канального

сетевого и транспортного) представляют собой механизм обеспечивающий

доставку данных любого типа и произвольного объема между программами

работающими на разных узлах составной сети Однако при работе в сети

пользователям требуется не просто пересылка данных а выполнение каких-

либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех

возможностей которые предоставляют средства нижних уровней

недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо

просмотреть документ расположенный не на его локальном компьютере а

на удаленной машине Решение такой задачи предполагает как минимум

прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса

содержащего имя документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного

компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной

машины изменений вносимых в этот документ другими пользователями и

уведомление об этом пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав

пользователя на работу с документом что предполагает дополнительный

- 44 -

обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних

уровней не имеют средств позволяющих реализовать специфику такого

взаимодействия Поэтому для его организации требуются дополнительные

надстройки над средствами транспортного и нижележащих уровней В

эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный уровень

уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или

сессии) при длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое

(виртуальное) соединение между двумя программами в общем случае

функционирующими на разных компьютерах В простейшем случае

установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти

необходимых для приема и передачи данных После окончания передачи

данных происходит закрытие соединения предполагающее освобождение

выделенных ресурсов Во многих случаях этого недостаточно поэтому

сессионный уровень предлагает более сложные механизмы для организации

сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая

поддержка осуществляется путем периодической отправки специальных

тестовых пакетов при получении которых участник соединения должен

ответить Возвращаясь к предложенному выше примеру следует отметить

что установление соединения при работе с удаленным документом позволяет

один раз перед началом работы проверить права доступа пользователя а

также один раз передать запрос с именем файла В случае если бы

соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог

бы уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться

дополнительное преобразование Например это необходимо в случае если

взаимодействующие программы используют различные способы кодировки

текстовой информации или если для обеспечения защиты информации

требуется осуществлять шифрование данных Обеспечение подобных

промежуточных преобразований возложено на уровень представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными

уровнями Они позволяют осуществлять работу с различными

информационными ресурсами сети например файлами или сообщениями

электронной почты Естественно что различные типы ресурсов в общем

случае требуют различных методов обработки и в том числе методов

сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI

- 45 -

является прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции

работы с конкретными информационными объектами В предложенном выше

примере (чтение удаленного документа) к функциям прикладного протокола

относятся формирование запросов на получение документа проверка прав

доступа а также определение порядка пересылки файлов и уведомлений об

изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами

определяемых протоколами прикладного уровня часть функций сессионного

уровня и уровня представления может оказаться избыточной поэтому при

программной реализации три верхних уровня обычно объединяются

Page 2: - 3 - ВВЕДЕНИЕicm.muctr.ru/study/computers/inf001.pdf · 2016-08-25 · - 7 - А) Количество информации как мера уменьшения неопределенности

- 4 -

Глава 1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИНФОРМАТИКИ

11 Понятие информации Свойства информации

Информатикаrdquo - это франкоязычный синоним более

распространенного в мире англоязычного названия ―Computer science

что означает буквально ―компьютерная наука - те наука о

преобразовании информации в самом своем существе базирующаяся на

вычислительной технике

Что такое информация Информация - это сведения об объекте или

процессе ( от латинского слова informatio - разъяснения осведомление

изложение)Информация - это глубокое понятие и его нельзя объяснить

одной фразой В технике науке и в житейских ситуациях в это слово

вкладывается различный смысл

В бытовом смысле под информацией понимают любые данные или

знания которые кого-либо интересуют При таком понимании одно и

тоже информационное сообщение может содержать различное

количество информации для разных людей - в зависимости от уровня

понимания и интереса к нему

Однако такой подход не годится если речь идет об обработке данных

на ЭВМ В этом случае под информацией понимается произвольная

последовательность символов несущих смысловую нагрузку Каждый

новый символ увеличивает количество информации

Информационная культура mdash умение целенаправленно работать с

информацией и использовать для ее получения обработки и передачи

компьютерную информационную технологию современные

технические средства и методы

С в о й с т в а и н ф о р м а ц и и

Д о с т о в е р н о с т ь информации - В момент регистрации сигнала не

все сигналы являются полезными Присутствует laquoинформационный

шумraquo При увеличении уровня шумов достоверность снижается В этом

случае при передаче того же количества информации требуется

использовать либо больше данных либо более сложные методы анализа

информации

А к т у а л ь н о с т ь информации - степень соответствия информации

текущему моменту времени

Д о с т у п н о с т ь информации ndash мера возможности получить ту или

иную информацию На степень доступности информации влияют

одновременно как доступность данных так и доступность адекватных

методов для их интерпретации

И з б ы т о ч н о с т ь ndash это свойство полезность которого человек

ощущает очень часто как качество которое позволяет ему меньше

напрягать свое внимание и меньше утомляться Обычный текст на

русском языке имеет избыточность 20-25 Видеоинформация имеет

избыточность до 98-99 что позволяет нам рассеивать внимание и

отдыхать при просмотре кинофильма

- 5 -

О б ъ е к т и в н о с т ь информации -это понятие является

относительным(Это понятно тк методы являются субъективными)

Например принято считать что в результате наблюдения фотоснимка

объекта информауия будет более объективная чем в результате

наблюдения рисунка того же объекта

П о л н о т а информации - во многом характеризует еѐ качество и

определяет достаточность данных для принятия решений Чем полнее

данные тем шире диапазон методов которые можно использовать

Информация может существовать в самых разнообразных формах

- в форме световых звуковых или радиоволн

- в форме электрического тока или напряжения

- в форме магнитных полей

- в виде знаков на бумаге и др

В принципе информацию может переносить любая материальная

структура или поток энергии

Под обработкой информации в информатике понимают любое

преобразование информации из одного вида в другой производимое

по строгим формальным правилам

Компьютеры обрабатывают информацию путем выполнения некоторых

алгоритмов

система для передачи и преобразования информации называется

информационной система (ИС)

Что такое информационные технологиии

laquoИнформационные технологииraquo (ИТ) ndash это технологии для создания

информационных систем и управления ими

12 Эволюция информатики Истоки и этапы развития ИТ

На ранних этапах развития общества профессиональные навыки

передавались в основном личным примером по принципу делай как я В

качестве форм передачи информации использовались ритуальные танцы

обрядовые песни устные предания и тд

Первый этап развития информационной технологии связан с открытием

способов длительного хранения информации на материальном

носителе Это -пещерная живопись гравировка по кости (лунный

календарь числовые нарезки для измерения) Период между появлением

инструментов для обработки материальных объектов и регистрации

информационных образов составляет около миллиона лет

Второй этап развития информационной технологии начал свой отсчет

около 6 тыс лет назад и связан с появлением письменности Эра

письменности характеризуется появлением технологии регистрации на

материальном носителе символьной информации Применение этих

технологий позволяет осуществлять накопление и длительное хранение

знаний В качестве носителей информации выступали и до сих пор

выступают камень кость дерево глина папирус шелк бумага Сейчас

- 6 -

этот ряд можно продолжить магнитные покрытия (лента диски

цилиндры и тд) жидкие кристаллы оптические носители

полупроводники и тд

В этот период накопление знаний происходит достаточно медленно и

обусловлено трудностями связанными с доступом к информации

(Хранение в виде рукописных изданий в единичных экземплярах

доступ к которым был существенно затруднен) Этот барьер был

разрушен на следующем этапе

Начало третьего этапа датируется 1445 годом когда Иоганн Гутенберг

изобрел печатный станок Появление книг открыло доступ к

информации широкому кругу людей и резко ускорило темпы

накопления систематизированных по отраслям знаний С этого

момента началось необратимое поступательное движение

технологической цивилизации Книгопечатание - это первая

информационная революция

Четвертый этап развития информационной технологии начинается в

1946 году с появлением машины для обработки информации Этой

машиной является первая ЭВМ (типа ENIAC) запущенная в

эксплуатацию в Пенсильванском университете

Пятый этап развития информационной технологии наступил в 1982 году

после публикации эталонной модели взаимодействия открытых систем ISO

- ЭМ ВОС

13 Представление информации в компьютере Системы счисления

14Измерение количества информации ndash два подхода

Вопрос ―как измерить информацию Ответ на него зависит от того что

понимать под информацией Но поскольку определить информацию можно по-

разному то и способы измерения тоже могут быть разными

Под информацией в быту (житейский аспект) понимают сведения об

окружающем мире и протекающих в нем процессах воспринимаемые человеком или

специальными устройствами

Под информацией в технике понимают сообщения передаваемые в форме

знаков или сигналов

Под информацией в теории информации понимают не любые сведения а

лишь те которые снимают полностью или уменьшают существующую до их

получения неопределенность По определению К Шеннона информация ndash это

снятая неопределенность

Как же оценить количество информации

- 7 -

А) Количество информации как мера уменьшения неопределенности

знаний Единицы измерения количества информации

Формула Шеннона

Количество информации как мера уменьшения неопределенности знаний Информацию которую получает человек можно считать мерой уменьшения неопределенности знаний Если некоторое сообщение приводит к уменьшению неопределенности наших знаний то можно говорить что такое сообщение содержит информацию Сообщения обычно содержат информацию о каких-либо событиях Количество информации для событий с различными вероятностями определяется по формуле которую предложил КШеннон в 1948 году

где I - количество информации N - количество возможных событий pi - вероятности отдельных событий Если события равновероятны то количество информации определяется по формуле

- 8 -

или из показательного уравнения N = 2I

Единицы измерения количества информации За единицу количества информации принят 1 бит - количество информации содержащееся в сообщении уменьшающем неопределенность знаний в два раза Принята следующая система единиц измерения количества информации 1байт=8бит 1Кбайт=210байт 1Мбайт=210Кбайт=220байт 1Гбайт=210Мбайт=20Кбайт=230байт Пример После экзамена по информатике который сдавали ваши друзья объявляются оценки (2 3 4 или 5) Какое количество информации будет нести сообщение об оценке учащегося A который выучил лишь половину билетов и сообщение об оценке учащегося B который выучил все билеты Опыт показывает что для учащегося A все четыре оценки (события) равновероятны и тогда количество информации которое несет сообщение об оценке можно вычислить по формуле 22 I=log24=2бит На основании опыта можно также предположить что для учащегося B наиболее вероятной оценкой является 5 (p1 = 12) вероятность оценки 4 в два раза меньше (p2 = 14) а вероятности оценок 2 и 3 еще в два раза меньше (p3 = p4 = 18) Так как события неравновероятны воспользуемся для подсчета количества информации в сообщении формулой 21 I = -(12middotlog212 + 14middotlog214 + 18middotlog218 + 18middotlog218) бит = 175 бит Вычисления показали что при равновероятных событиях мы получаем большее количество информации чем при неравновероятных событиях

Алфавитный подход к измерению информации позволяет определить

количество информации заключенной тексте Алфавитный подход является

объективным те он не зависит от субъекта (человека) воспринимающего текст

Множество символов используемых при записи текста называется алфавитом

Полное количество символов в алфавите называется мощностью (размером)

алфавита Если допустить что все символы алфавита встречаются в тексте с

- 9 -

одинаковой частотой (равновероятно) то количество информации которое несет

каждый символ вычисляется по формуле

i = log2N где N mdash мощность алфавита Следовательно в 2-х

символьном алфавите каждый символ ―весит 1 бит (log22 = 1) в 4-х символьном

алфавите каждый символ несет 2 бита информации (log24 = 2) в 8-ми символьном mdash

3 бита (log2= 3) и тд Один символ из алфавита мощностью 256 (28) несет в тексте 8

бит информации Такое количество информации называется байт Алфавит из 256

символов используется для представления текстов в компьютере 1 байт = 8 бит

Если весь текст состоит из К символов то при алфавитном подходе размер

содержащейся в нем информации равен

I = К х i где i mdash информационный вес одного символа в используемом

алфавите

Информационный объем сообщения (информационная емкость

сообщения) ndash количество информации в сообщении измеренное в битах байтах или

производных единицах (Кбайтах Мбайтах и т д) Пример 1 Книга набранная с

помощью компьютера содержит 150 страниц на каждой странице mdash 40 строк b в

каждой строке mdash 60 символов Каков объем информации в книге

Решение Мощность компьютерного алфавита равна 256 Один символ несет 1 байт

информации Значит страница содержит 40 х 60 = 2400 байт информации Объем

всей информации в книге (в разных единицах)2400 х 150 == 360 000 байт

3600001024 = 3515625 Кбайт 35156251024 = 034332275 Мбайт

- 10 -

Глава 2 АРХИТЕКТУРА ЭВМ

21 История развития средств вычислительной техники ndash пять

поколений ЭВМ

22 Блок- схема ЭВМ (блок-схема по Нейману)

23 Блок- схема ПК Принцип открытой архитектуры

24 Характеристики вычислительных систем

25 Центральный процессор и микропроцессор

26 Системная плата

27 Внутренняя и внешняя память

210 Устройства ввода-вывода данных

Структура ЭВМ фон Неймана

Код

операции

Признаки

Команды

Операнды

Результаты

Исходные

данные

Программа

УВВ

ОЗУ

ВЗУ

АЛУ

УУ

Результаты

Адреса

- 11 -

bull Принципы Джон фон Неймана 1) принцип программного управления (программа состоит из набора команд которые выполняются процессором друг за другом в определенной последовательности) 2) принцип однородности памяти (программы и данные хранятся в одной и той же памяти) 3) принцип адресности (ОП состоит из пронумерованных ячеек и процессору в любой момент времени доступна любая ячейка)

- 12 -

Поколения ЭВМ

1На основе электронных ламп

2На основе электронных ламп и

дискретных транзисторных

логических элементов

3Семейства машин с единой

архитектурой

интегральные схемы

4Проектировались в расчете на

эффективное использование

современных высокоуровневых

языков

Поколения ЭВМ

1На основе электронных ламп

2На основе электронных ламп и

дискретных транзисторных

логических элементов

3Семейства машин с единой

архитектурой

интегральные схемы

4Проектировались в расчете на

эффективное использование

современных высокоуровневых

языков

- 13 -

Т

Основы построения ЭВМ

bull Принципы функционирования

универсальных вычислительных

устройств

bull 1 Принцип программного управления

bull 2 Принцип однородности памяти

bull 3 Принцип адресности

Поколения ЭВМ

- 14 -

Языки

сверхвысокого

Уровня

Сенсорные

Устройства

Оптические

диски

ДоскаСверхбольшие

Интегральные

схемы

90-нв5

Языки высокого

уровня

Интерактивные

устройства

ВинчестерыСтолБольшие

интеграль

ные

схемы

(БИС)

70ndash804

Алгоритмические

языки

ДисплеиМагнитные

диски

ШкафИнтегральные

схемы (ИС)

60ndash703

Автокоды

(ассемблер)

ТелетайпыМагнитные

ленты

КомнатаТранзисторы50ndash602

Машинные

языки

ПерфораторыМагнитный

барабан

Машинный

зал

Лампы40ndash501

ЯзыкиInoutНакопителиГабаритыЭлементыГодыПоколение

Глава 3 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

31 Развитие программного обеспечения

32Состав Microsoft Office

33 История языков программирования

Microsoft Word (часто mdash MS Word WinWord или просто Word) mdash это текстовый

процессор предназначенный для создания просмотра и редактирования текстовых

документов с локальным применением простейших форм таблично-матричных

алгоритмов Текстовый процессор выпускается корпорацией Microsoft в составе

пакета Microsoft Office Первая версия была написана Ричардом Броди (Richard

Brodie) для IBM PC использующих DOS в 1983 году Позднее выпускались версии

для Apple Macintosh (1984) SCO UNIX и Microsoft Windows (1989)

Microsoft Word многим обязан Bravo mdash текстовому процессору с оригинальным

графическим интерфейсом разработанному в исследовательском центре laquoXerox

PARCraquo Создатель Bravo Чарльз Симони (Charles Simonyi) покинул PARC в 1981

году Тем же летом Симони переманил Броди с которым вместе работал над Bravo

Первый выпуск Word для MS-DOS состоялся в конце 1983 года Он был плохо принят

рынком продажи снижало наличие конкурирующего продукта mdash WordPerfect

Однако версия для Макинтоша выпущенная в 1985 году получила широкое

распространение Через два года laquoWord 301 для Macintoshraquo усилил позиции (версия 30

изобиловала ошибками и быстро была заменена) Как и прочее программное обеспечение

для Макинтоша Word был полностью WYSIWYG-редактором (принцип laquoWhat You See Is

What You Getraquo mdash laquoполучаю то что вижуraquo)

- 15 -

Хотя MS-DOS и являлась текстовой операционной системой лишѐнной графической

оболочки Word для DOS был первым текстовым процессором для IBM PC который был

способен отображать разметку текста например полужирный или курсивный текст в

процессе редактирования Однако он всѐ же не являлся в полном смысле WYSIWYG-

редактором Другие же текстовые процессоры такие как WordStar и WordPerfect

использовали простой текстовый экран с кодами разметки иногда текст был цветным

Однако поскольку в большинстве программного обеспечения под DOS применялись

собственные труднозапоминаемые комбинации laquoгорячих клавишraquo для каждой команды

(например в Wordrsquoе для DOS сохранение файла выполнялось по комбинации ESC-T-S) и

большинство секретарей умели пользоваться только WordPerfect компании весьма

неохотно переходили на конкурирующие с ним продукты имеющие сравнительно

небольшие преимущества

Первая версия Word для Windows выпущенная в 1989 году продавалась по цене 500

долларов США Она демонстрировала выбранный компанией Майкрософт путь развития

как и сама Windows она многое взяла от Macintosh и использовала стандартные

клавиатурные сокращения (например CTRL-S для сохранения файла) После выпуска в

следующем году Windows 30 продажи поползли вверх (Word 10 гораздо лучше работал с

Windows 30 чем с более старыми версиями Windows386 и Windows286) главный

конкурент mdash WordPerfect mdash не смог выпустить рабочую версию под Windows что

оказалось для него смертельной ошибкой Версия 20 утвердила WinWord на позиции

лидера рынка

У Word для Macintosh никогда не было серьѐзных конкурентов даже несмотря на наличие

программ вроде Nisus предоставлявшую возможность выделения нескольких несвязных

кусков текста (появившуюся только в Word 2002 из Office XP) и несмотря на мнение

многих пользователей об отсутствии кардинальных различий между версиями 301

выпущенной в 1987 году и версией 50 выпущенной в 1991 Однако версия 60 для

Macintosh вышедшая в 1994 году была многими воспринята довольно скептически Это

была первая версия без значительных отличий в коде ядра между версиями под Windows и

под Mac Версия под Windows следовавшая за 20 была пронумерована как 60 для

координации названия версий под разные платформы

Последовавшие версии добавляли возможности выходящие за рамки простого текстового

процессора Инструменты рисования позволяли выполнять примитивные операции

вѐрстки такие как добавление графики в документ хотя естественно

специализированные программы для вѐрстки лучше справляются с этими задачами

Внедрение объектов сравнение версий документа мультиязычная поддержка и многие

другие возможности были добавлены за последовавшие несколько лет

Microsoft Word является наиболее популярным из используемых в данный момент

текстовых процессоров что сделало его бинарный формат документа стандартом де-

факто и многие конкурирующие программы имеют поддержку совместимости с данным

форматом Расширение laquodocraquo на платформе IBM PC стало синонимом двоичного формата

Word 97mdash2000 Фильтры экспорта и импорта в данный формат присутствуют в

большинстве текстовых процессоровФормат документа разных версий Word меняется

различия бывают довольно тонкими Форматирование нормально выглядящее в

последней версии может не отображаться в старых версиях программы однако есть

ограниченная возможность сохранения документа с потерей части форматирования для

открытия в старых версиях продукта Последняя версия MS Word 2007 использует по

умолчанию формат основанный на XML - Microsoft Office Open XML Спецификация

- 16 -

форматов файлов Word 97-2007 были опубликован Microsoft в 2008 году[1][2]

Ранее

большая часть информации нужной для работы с данным форматом добывалась

посредством обратного инжиниринга поскольку основная еѐ часть отсутствовала в

открытом доступе или была доступна лишь ограниченному числу партнеров и

контролирующих организаций

Как и прочие приложения из Microsoft Office Word может расширять свои возможности

посредством использования встроенного макроязыка (сначала использовался WordBasic с

версии Word 97 применяется VBA mdash Visual Basic для приложений) Однако это

предоставляет широкие возможности для написания встраиваемых в документы вирусов

(так называемые laquoмакровирусыraquo) Наиболее ярким примером была эпидемия червя

Melissa В связи с этим многие считают разумной рекомендацию всегда выставлять

наивысший уровень настроек безопасности при использовании Word (Меню

laquoToolsgtMacrogtSecurityraquo laquoСервисgtМакросgtБезопасностьhellipraquo в локализованных русских

версиях) Также нелишним будет использовать антивирусное программное обеспечение

Первым вирусом заражавшим документы Microsoft Word был DMV созданный в декабре

1994 года Дж МакНамарой для демонстрации возможности создания макровирусов

Первым же вирусом попавшим в дикую природу и вызвавшим первую в мире

эпидемию макровирусов (это произошло в июле-августе 1995 г) был Concept

12 августа 2009 года суд штата Техас запретил продажу программы Word на территории

США в связи с тем что Microsoft незаконно использует метод чтения XML-файлов

патент на который принадлежит канадской компании i4i [3]

В 1982 году Microsoft запустила на рынок первый электронный табличный процессор

Multiplan который был очень популярен на CPM системах но на MS-DOS системах он

уступал Lotus 1-2-3 Первая версия Excel предназначалась для Mac и была выпущена в

1985 году а первая версия для Windows была выпущена в ноябре 1987 года Lotus не

торопилась выпускать 1-2-3 под Windows и Excel с 1988 года начала обходить по

продажам 1-2-3 что в конечном итоге помогло Microsoft достичь позиций ведущего

разработчика программного обеспечения Microsoft укрепляла свое преимущество с

выпуском каждой новой версии что имело место примерно каждые два года Текущая

версия для платформы Windows mdash Excel 12 также известная как Microsoft Office Excel

2007 Текущая версия для платформы Mac OS X mdash Microsoft Excel 2008

В начале своего пути Excel стал причиной иска о товарном знаке от другой компании уже

продававшей пакет программ под названием laquoExcelraquo В результате спора Microsoft был

обязана использовать название laquoMicrosoft Excelraquo во всех своих официальных пресс-

релизах и юридических документах Однако со временем эта практика была позабыта и

Microsoft окончательно устранила проблему приобретя товарный знак другой программы

Microsoft также решила использовать буквы XL как сокращенное название программы

иконка Windows-программы состоит из стилизованного изображения этих двух букв а

расширение файлов по умолчанию в Excel mdash xls В сравнении с первыми табличными

процессорами Excel представляет множество новых функций пользовательского

интерфейса но суть остается прежней как и в программе-родоначальнике VisiCalc

ячейки расставляются в строки и столбцы и могут содержать данные или формулы с

относительными или абсолютными ссылками на другие клетки

Excel был первым табличным процессором позволявшим пользователю менять внешний

вид таблицы (шрифты символы и внешний вид ячеек) Он также первым представил

метод умного пересчета ячеек когда обновляются только те ячейки которые зависят от

- 17 -

измененных ячеек (раньше табличные процессоры либо постоянно пересчитывали все

ячейки или ждали команды пользователя)

Будучи впервые объединенными в Microsoft Office в 1993 году Microsoft Word и Microsoft

PowerPoint получили новый графический интерфейс для соответствия Excel главного

стимула модернизации ПК в то время

Начиная с 1993 года в состав Excel входит Visual Basic для приложений (VBA) язык

программирования основанный на Visual Basic позволяющий автоматизировать задачи

Excel VBA является мощным дополнением к приложению и в более поздних версиях

Excel доступна полнофункциональная интегрированная среда разработки Можно создать

VBA-код повторяющий действия пользователя и таким образом автоматизировать

простые задачи VBA позволяет создавать формы для общения с пользователем Язык

поддерживает использование (но не создание) DLL от ActiveX более поздние версии

позволяют использовать элементы объектно-ориентированного программирования

Функциональность VBA делала Excel легкой мишенью для макровирусов И это было

серьезной проблемой до тех пор пока антивирусные продукты не научились

обнаруживать их Фирма Microsoft с опозданием приняв меры для уменьшения риска

добавила возможность выбора режима безопасности

Идея PowerPoint появилась у Боба Гаскинса (Bob Gaskins) студента университета Беркли

который решил что наступает век графических интерактивных материалов В 1984 году

Гаскинс присоединился к провальной компании Forethought и нанял разработчика

Денниса Остина (Dennis Austin) Боб и Деннис объединили усилия и создали программу

Presenter Деннис создал оригинальную версию программы с Томом Рудкиным (Tom

Rudkin) Позже Боб решил сменить имя на PowerPoint которое и стало названием

конечного продукта

В 1987 году вышел PowerPoint 10 для Apple Macintosh Он работал в черно-белом цвете

Вскоре появились цветные Macintosh и новая версия PowerPoint не заставила себя ждать

Программное руководство с первой редакцией было уникально Это была книга синего

цвета в твердом переплете Компания Forethought считала что это лучше чем куча

исполняемых файлов помощи на компьютере и инструкций в электронном виде Но

обновление инструкции было необоснованно дорого Идея с подобными книгами была

вскоре заброшена

Позже в 1987 году Forethought и ее продукт были куплены Microsoft за 14 млн $ В 1990

году вышла версия для Windows C 1990 года PowerPoint стал стандартом в наборе

программ Microsoft Office

В 2002 году вышла версия PowerPoint которая не только была включена в пакет Microsoft

Office XP но также распространялась как отдельный продукт В нем появились такие

функции как сравнение и смешение изменений в презентации возможность задавать пути

анимации для индивидуальных форм создание пирамидальных радиальных и целевых

диаграмм а также кругов Эйлера панель задач для просмотра и выбора объектов буфера

обмена защита презентации паролем автоматическая генерация фотоальбома а также

―умные теги для быстрого выбора формата текста скопированного в презентацию

Microsoft PowerPoint 2003 не сильно отличается от предшественника Он увеличивает

эффективность работы в группе и теперь имеет возможность создания ―Пакета для CD

- 18 -

который легко позволяет скопировать презентацию с мультимедийным содержанием и

просмотрщик на компакт диск

Текущая версия Power Point 2007 привносит основные изменения в интерфейс программы

и увеличивает графические возможности

PowerPoint является частью Microsoft Office Это позволило PowerPoint стать наиболее

распространенной во всем мире программой для создания презентаций Файлы

презентаций PowerPoint часто пересылаются пользователями программы на другие

компьютеры что означает необходимую совместимость с ними программ конкурентов

Однако поскольку Power Point имеет возможность подключения элементов других

приложений через OLE некоторые презентации становятся сильно привязанными к

платформе Windows что делает невозможным открытие данных файлов например в

версии для Mac OS Это привело к переходу на открытые стандарты такие как PDF и

OASIS OpenDocument

Глава 4 АЛГОРИТМИЗАЦИЯ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

41 Структурный подход к разработке алгоритмов и программ

42 Основные структуры и операторы VBA

43 Примеры на VBA

- 19 -

Глава 5ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ

Компьютерные сети

Понятие компьютерной сети

Компьютерная сеть (Computer Network) ndash это множество компьютеров соединенных

линиями связи и работающих под управлением специального программного обеспечения

Под линией связи обычно понимают совокупность технических устройств и

физической среды обеспечивающих передачу сигналов от передатчика к приемнику В

реальной жизни примерами линий связи могут служить участки кабеля и усилители

обеспечивающие передачу сигналов между коммутаторами телефонной сети На основе

линий связи строятся каналы связи

Каналом связи обычно называют систему технических устройств и линий связи

обеспечивающую передачу информации между абонентами Соотношение между

понятиями канал и линия описывается следующим образом канал связи может

включать в себя несколько разнородных линий связи а одна линия связи может

использоваться несколькими каналами

Главной целью объединения компьютеров в сеть является предоставление пользователям

возможности доступа к различным информационным ресурсам (например документам

программам базам данных и тд) распределенным по этим компьютерам и их

совместного использования

Важной характеристикой любой компьютерной сети является широта территории

которую она охватывает Широта охвата определятся взаимной удаленностью

компьютеров составляющих сеть и следовательно влияет на технологические решения

выбираемые при построении сети Классически выделяют два типа сетей локальные сети

и глобальные сети

К локальным сетям (Local Area Network LAN) обычно относят сети компьютеры

которых сосредоточены на относительно небольших территориях (как правило в радиусе

до 1-2 км) Классическим примером локальных сетей является сеть одного предприятия

расположенного в одном или нескольких стоящих рядом зданиях Небольшой размер

локальных сетей позволяет использовать для их построения достаточно дорогие и

высококачественные технологии что обеспечивает высокую скорость обмена

информацией между компьютерами

Глобальные сети (Wide Area Network WAN) ndash это сети предназначенные для

объединения отдельных компьютеров и локальных сетей расположенных на

значительном удалении (сотни и тысячи километров) друг от друга Поскольку

организация специализированных высококачественных каналов связи большой

протяженности является достаточно дорогой то в глобальных сетях нередко

используются уже существующие и изначально не предназначенные для построения

компьютерных сетей линии (например телефонные или телеграфные) В связи с этим

скорость передачи данных в таких сетях существенно ниже чем в локальных

Независимо от того какую территорию покрывает сеть какие технологические решения

лежат в основе ее организации существуют общие принципы сетевого взаимодействия

которым должно подчиняться функционирование сети Именно выработка таких общих

- 20 -

принципов способствовала в свое время появлению Интернет (Internet) как объединенной

сети (иногда даже используется термин гиперсеть) собравшей в своем составе

локальные городские и глобальные сети всей планеты

Модель сетевого взаимодействия

В 1984 году Международной Организацией по Стандартизации (International Standard

Organization ISO) была разработана модель взаимодействия открытых систем (Open

Systems Interconnection OSI) Модель представляет собой международный стандарт для

проектирования сетевых коммуникаций и предполагает уровневый подход к построению

сетей Каждый уровень модели обслуживает различные этапы процесса взаимодействия

Посредством деления на уровни сетевая модель OSI упрощает совместную работу

оборудования и программного обеспечения Модель OSI разделяет сетевые функции на

семь уровней прикладной уровень представления сессионный транспортный сетевой

канальный и физический

Физический уровень (Physical layer) определяет способ физического соединения

компьютеров в сети Функциями средств относящихся к данному уровню являются

побитовое преобразование цифровых данных в сигналы передаваемые по физической

среде (например по кабелю) а также собственно передача сигналов

Канальный уровень(Data Link layer) отвечает за организацию передачи данных между

абонентами через физический уровень поэтому на данном уровне предусмотрены

средства адресации позволяющие однозначно идентифицировать отправителя и

получателя во всем множестве абонентов подключенных к обще линии связи В функции

данного уровня также входит упорядочивание передачи с целью параллельного

использования одной линии связи несколькими парами абонентов Кроме того средства

канального уровня обеспечивают проверку ошибок которые могут возникать при

передаче данных физическим уровнем

Сетевой уровень(Network layer) обеспечивает доставку данных между компьютерами

сети представляющей собой объединение различных физических сетей Данный уровень

предполагает наличие средств логической адресации позволяющих однозначно

- 21 -

идентифицировать компьютер в объединенной сети Одной из главных функций

выполняемых средствами данного уровня является целенаправленная передача данных

конкретному получателю

Транспортный уровень(Transport layer) реализует передачу данных между двумя

программами функционирующими на разных компьютерах обеспечивая при этом

отсутствие потерь и дублирования информации которые могут возникать в результате

ошибок передачи нижних уровней В случае если данные передаваемые через

транспортный уровень подвергаются фрагментации то средства данного уровня

гарантируют сборку фрагментов в правильном порядке

Сессионный (или сеансовый) уровень (Session layer) позволяет двум программам

поддерживать продолжительное взаимодействие по сети называемое сессией (session)

или сеансом Этот уровень управляет установлением сеанса обменом информацией и

завершением сеанса Он также отвечает за идентификацию позволяя тем самым только

определенным абонентам принимать участие в сеансе и обеспечивает работу служб

безопасности с целью упорядочивания доступа к информации сессии

Уровень представления(Presentation layer) осуществляет промежуточное

преобразование данных исходящего сообщения в общий формат который предусмотрен

средствами нижних уровней а также обратное преобразование входящих данных из

общего формата в формат понятный получающей программе

Основные принципы уровневого взаимодействия

При уровневой организации процесса взаимодействия должны соблюдаться следующие

требования

компоненты одного уровня одной системы могут взаимодействовать с

компонентами только того же уровня другой системы

в рамках одной системы компоненты какого-либо уровня могут взаимодействовать

только с компонентами смежных (вышележащего и нижележащего) уровней

Набор правил определяющих порядок взаимодействия средств относящихся к одному и

тому же уровню и функционирующих в разных системах называется протоколом

(protocol) Правила взаимодействия между собой средств относящихся к смежным

уровням и функционирующих в одной системе называются интерфейсом (interface)

Функции физического уровня

Физический уровень определяет способ физического соединения компьютеров в сети

Основными функциями средств относящихся к данному уровню является побитовое

преобразование цифровых данных в сигналы среды передачи а также собственно

передача сигналов по физической среде

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно распространение

информационных сигналов в виде электрических световых и тп импульсов В настоящее

время выделяют два основных типа физических соединений соединения с помощью

кабеля и беспроводные соединения

- 22 -

Кабель (cable) используемый для построения компьютерных сетей представляет собой

сложную конструкцию состоящую в общем случае из проводников изолирующих и

экранирующих слоев В современных сетях используются три типа кабеля

Каждый тип кабеля отличается от других внутренним устройством и обладает целым

набором технических характеристик влияющих на основные потребительские параметры

сетей

Тип кабеля Характеристика

Максимальное

расстояние передачи

Максимальная

скорость передачи

Коаксиальный

кабель 185 ndash 500 м 10 Мбитс

Витая пара 30 ndash 100 м 10 Мбитс ndash 1

Гбитс

Оптоволоконный

кабель 2 км

10 Мбитс ndash 2

Гбитс

Топология сети - способ соединения компьютеров с помощью физической среды

Если сеть состоит всего из двух компьютеров то они соединяются напрямую Такой

способ соединения получил название точка-точка (point-to-point)

Выделяют три базовые топологии Шина (bus) Кольцо (ring) Звезда(star)

laquoШинаraquo - использует один передающий канал на базе коаксиального кабеля называемый

шиной Все сетевые компьютеры присоединяются напрямую к шине На концах кабеля-

шины устанавливаются специальные заглушки - терминаторы (terminator) Они

необходимы для того чтобы погасить сигнал после прохождения по шине К недостаткам

топологии Шина следует отнести следующее

данные предаваемые по кабелю доступны всем подключенным компьютерам

в случае повреждения шины вся сеть перестает функционировать

laquoКольцоraquo - характерно отсутствие конечных точек соединения сеть замкнута образуя

неразрывное кольцо по которому передаются данные Эта топология подразумевает

следующий механизм передачи данные передаются последовательно от одного

компьютера к другому пока не достигнут компьютера-получателя Недостатки топологии

кольцо те же то и у топологии шина

общедоступность данных

неустойчивость к повреждениям кабельной системы

В сети с топологией звезда все компьютеры соединены со специальным устройством

называемым сетевым концентратором или хабом (hub) который выполняет функции

- 23 -

распределения данных Прямые соединения двух компьютеров в сети отсутствуют

Благодаря этому имеется возможность решения проблемы общедоступности данных а

также повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы Однако

функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора

Канальный уровень - отвечает за организацию передачи данных между абонентами

через физический уровень поэтому на данном уровне предусмотрены средства адресации

позволяющие однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к общему физическому каналу В функции данного

уровня также входит упорядочивание передачи с целью обеспечения возможности

параллельного использования одного физического канала несколькими парами абонентов

Средства канального уровня обеспечивают проверку ошибок которые могут возникать

при передаче данных физическим уровнем Большинство функций канального уровня

выполняются устройствами передачи данных (например сетевым адаптером)

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена способ

представления информации а также необходимый набор правил позволяющий

упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток битов Перед

передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с принципом пакетной

коммутации разделяется на порции каждая из которых снабжается заголовком

содержащим некоторую служебную информацию те формируется пакет На канальном

уровне пакет называется кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает протокол Сложность

канальных протоколов во многом определяется сложностью топологии сети Очевидно

что организовать общение всего двух абонентов существенно проще чем упорядочивать

информационный обмен в сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких

пар абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Сетевой уровень - сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

- 24 -

адресации определенных различными технологиями Поэтому для обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого уровня модели OSI Устройства этого уровня предназначенные для объединения сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку составной сети Процесс определения пути прохождения данных через подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название маршрутизаторов

Транспортный уровень Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных

между устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд) Однако

не следует забывать что на одном узле может функционировать параллельно несколько

программ которым требуется доступ к сети Следовательно данные внутри

компьютерной системы должны распределяться между программами Поэтому при

передаче данных по сети недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо

также идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является отсутствие средств

позволяющих передавать большие массивы данных Когда исходные данные превышают

максимально допустимый размер пакета сетевого уровня то эти данные должны быть

разбиты на порции каждая из которых передается в сеть отдельным пакетом Однако

каждый пакет сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других

блок данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и следовательно ndash

обнаружить нарушение целостности общего массива данных Поэтому средства

транспортного уровня обеспечивают отсутствие потерь информации Такой режим

передачи данных получил название гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой функциональную

надстройку над сетевым уровнем и решают две основных задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

- 25 -

обеспечение гарантированной доставки массивов данных произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash UDP

обеспечивающий негарантированную доставку данных между программами и TCP

обеспечивающий гарантированную доставку с установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной уровень - Компоненты четырех

нижних уровней модели OSI (физического канального сетевого и транспортного)

представляют собой механизм обеспечивающий доставку данных любого типа и

произвольного объема между программами работающими на разных узлах составной

сети Однако при работе в сети пользователям требуется не просто пересылка данных а

выполнение каких-либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех возможностей

которые предоставляют средства нижних уровней недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо просмотреть

документ расположенный не на его локальном компьютере а на удаленной машине

Решение такой задачи предполагает как минимум прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса содержащего имя

документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной машины

изменений вносимых в этот документ другими пользователями и уведомление об этом

пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав пользователя на

работу с документом что предполагает дополнительный обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних уровней не имеют

средств позволяющих реализовать специфику такого взаимодействия Поэтому для его

организации требуются дополнительные надстройки над средствами транспортного и

нижележащих уровней В эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный

уровень уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или сессии) при

длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое (виртуальное) соединение между

двумя программами в общем случае функционирующими на разных компьютерах В

простейшем случае установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти необходимых для

приема и передачи данных После окончания передачи данных происходит закрытие

соединения предполагающее освобождение выделенных ресурсов Во многих случаях

этого недостаточно поэтому сессионный уровень предлагает более сложные механизмы

для организации сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая поддержка

осуществляется путем периодической отправки специальных тестовых пакетов при

получении которых участник соединения должен ответить Возвращаясь к

предложенному выше примеру следует отметить что установление соединения при

работе с удаленным документом позволяет один раз перед началом работы проверить

- 26 -

права доступа пользователя а также один раз передать запрос с именем файла В случае

если бы соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог бы

уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться дополнительное

преобразование Например это необходимо в случае если взаимодействующие

программы используют различные способы кодировки текстовой информации или если

для обеспечения защиты информации требуется осуществлять шифрование данных

Обеспечение подобных промежуточных преобразований возложено на уровень

представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными уровнями Они

позволяют осуществлять работу с различными информационными ресурсами сети

например файлами или сообщениями электронной почты Естественно что различные

типы ресурсов в общем случае требуют различных методов обработки и в том числе

методов сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI является

прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции работы с конкретными

информационными объектами В предложенном выше примере (чтение удаленного

документа) к функциям прикладного протокола относятся формирование запросов на

получение документа проверка прав доступа а также определение порядка пересылки

файлов и уведомлений об изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами определяемых

протоколами прикладного уровня часть функций сессионного уровня и уровня

представления может оказаться избыточной поэтому при программной реализации три

верхних уровня обычно объединяются

Модель сетевого взаимодействия

В 1984 году Международной Организацией по Стандартизации (International

Standard Organization ISO) была разработана модель взаимодействия

открытых систем (Open Systems Interconnection OSI) Модель представляет

собой международный стандарт для проектирования сетевых коммуникаций

и предполагает уровневый подход к построению сетей Каждый уровень

модели обслуживает различные этапы процесса взаимодействия

Посредством деления на уровни сетевая модель OSI упрощает совместную

работу оборудования и программного обеспечения Модель OSI разделяет

сетевые функции на семь уровней прикладной уровень представления

сессионный транспортный сетевой канальный и физический

Ниже дается краткая характеристика уровней модели

Физический уровень (Physical layer) определяет способ физического

соединения компьютеров в сети Функциями средств относящихся к

данному уровню являются побитовое преобразование цифровых

- 27 -

данных в сигналы передаваемые по физической среде (например по

кабелю) а также собственно передача сигналов

Канальный уровень(Data Link layer) отвечает за организацию передачи

данных между абонентами через физический уровень поэтому на

данном уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к обще линии связи В функции

данного уровня также входит упорядочивание передачи с целью

параллельного использования одной линии связи несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем

Сетевой уровень(Network layer) обеспечивает доставку данных между

компьютерами сети представляющей собой объединение различных

физических сетей Данный уровень предполагает наличие средств

логической адресации позволяющих однозначно идентифицировать

компьютер в объединенной сети Одной из главных функций

выполняемых средствами данного уровня является целенаправленная

передача данных конкретному получателю

Транспортный уровень(Transport layer) реализует передачу данных

между двумя программами функционирующими на разных

компьютерах обеспечивая при этом отсутствие потерь и дублирования

информации которые могут возникать в результате ошибок передачи

нижних уровней В случае если данные передаваемые через

транспортный уровень подвергаются фрагментации то средства

данного уровня гарантируют сборку фрагментов в правильном

порядке

Сессионный (или сеансовый) уровень (Session layer) позволяет двум

программам поддерживать продолжительное взаимодействие по сети

называемое сессией (session) или сеансом Этот уровень управляет

установлением сеанса обменом информацией и завершением сеанса

Он также отвечает за идентификацию позволяя тем самым только

определенным абонентам принимать участие в сеансе и обеспечивает

работу служб безопасности с целью упорядочивания доступа к

информации сессии

Уровень представления(Presentation layer) осуществляет

промежуточное преобразование данных исходящего сообщения в

общий формат который предусмотрен средствами нижних уровней а

также обратное преобразование входящих данных из общего формата в

формат понятный получающей программе

Прикладной уровень (Application layer) предоставляет

высокоуровневые функции сетевого взаимодействия такие как

передача файлов отправка сообщений по электронной почте и тп

Основные принципы уровневого взаимодействия

- 28 -

При уровневой организации процесса взаимодействия должны соблюдаться

следующие требования

компоненты одного уровня одной системы могут взаимодействовать с

компонентами только того же уровня другой системы

в рамках одной системы компоненты какого-либо уровня могут

взаимодействовать только с компонентами смежных (вышележащего и

нижележащего) уровней

Порядок уровневого взаимодействия

Набор правил определяющих порядок взаимодействия средств относящихся

к одному и тому же уровню и функционирующих в разных системах

называется протоколом (protocol) Правила взаимодействия между собой

средств относящихся к смежным уровням и функционирующих в одной

системе называются интерфейсом (interface)

Практическая реализация уровневого взаимодействия

На практике протоколы и интерфейсы регламентируют технические

требования предъявляемые к программным и аппаратным средствам

Программные (аппаратные) модули предназначенные для обеспечения

практического взаимодействия определяемого тем или иным протоколом

(или интерфейсом) обычно называют реализацией протокола (или

интерфейса)

Хотя различные компоненты относящиеся к различным уровням сетевой

модели формально должны быть функционально независимыми друг от

друга при практической разработке протоколов такая независимость не

всегда выдерживается Это объясняется тем что попытка добиться точного

соответствия эталонной модели может привести к неэффективности работы

программно-аппаратного обеспечения реализующего протокол В настоящее

время наблюдается два типа отклонений возникающих при реализации

уровневого взаимодействия

- 29 -

функции некоторых уровней могут объединяться одним протоколом и

наоборот ndash функции одного уровня могут делиться между различными

протоколами

функционирование протокола какого-либо уровня подразумевают

использование только определенных протоколов нижележащего

уровня

Поэтому разработка практических методов сетевого взаимодействия как

правило подразумевает разработку не отдельных протоколов а целых

наборов протоколов Такие наборы обычно включают в себя протоколы

относящиеся к нескольким смежным уровням эталонной модели OSI и

называются стеками (или семействами наборами) протоколов (protocol stack

protocol suite) Наиболее известным стеком протоколов обеспечивающим

взаимодействие в сети Интернет является стек протоколов TCPIP

Физический уровень

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Среда передачи

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Физический уровень определяет способ физического соединения

компьютеров в сети Основными функциями средств относящихся к

данному уровню является побитовое преобразование цифровых данных в

сигналы среды передачи а также собственно передача сигналов по

физической среде

Кабельные системы

- 30 -

Кабель (cable) используемый для построения компьютерных сетей

представляет собой сложную конструкцию состоящую в общем случае из

проводников изолирующих и экранирующих слоев В современных сетях

используются три типа кабеля

Еще одним важным понятием физического уровня является способ

соединения компьютеров с помощью физической среды или топология сети

Если сеть состоит всего из двух компьютеров то они соединяются

напрямую Такой способ соединения получил название точка-точка

(point-to-point)

Соединение типа точка-точка

Для обеспечения связи более чем двух компьютеров может использоваться

последовательность соединений типа точка-точка

Последовательность соединений типа точка-точка

Однако такой подход требует установки на большую часть компьютеров

нескольких устройств передачи данных

В качестве альтернативного подхода возможно использование более

сложных топологий позволяющих подключить к общей среде сразу

несколько компьютеров имеющих по одному устройству передачи данных

- 31 -

Выделяют три базовые топологии Шина (bus) Кольцо (ring)

Звезда(star)

Топология laquoШинаraquo

Топология Шина

Эта топология использует один передающий канал на базе коаксиального

кабеля называемый шиной Все сетевые компьютеры присоединяются

напрямую к шине На концах кабеля-шины устанавливаются специальные

заглушки - терминаторы (terminator) Они необходимы для того чтобы

погасить сигнал после прохождения по шине К недостаткам топологии

Шина следует отнести следующее

данные предаваемые по кабелю доступны всем подключенным

компьютерам

в случае повреждения шины вся сеть перестает функционировать

Топология laquoКольцоraquo

Топология Кольцо

Для топологии кольцо характерно отсутствие конечных точек соединения

сеть замкнута образуя неразрывное кольцо по которому передаются данные

Эта топология подразумевает следующий механизм передачи данные

передаются последовательно от одного компьютера к другому пока не

- 32 -

достигнут компьютера-получателя Недостатки топологии кольцо те же то

и у топологии шина

общедоступность данных

неустойчивость к повреждениям кабельной системы

Топология laquoЗвездаraquo

Топология Звезда

В сети с топологией звезда все компьютеры соединены со специальным

устройством называемым сетевым концентратором или хабом (hub)

который выполняет функции распределения данных Прямые соединения

двух компьютеров в сети отсутствуют Благодаря этому имеется

возможность решения проблемы общедоступности данных а также

повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы Однако

функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора

Физическая и логическая топологии

Следует отметить что термин топология может употребляться для

обозначения двух понятий ndash физической топологии и логической топологии

Физическая топология ndash способ физического соединения компьютеров с

помощью среды передачи например участками кабеля Логическая

топология определяет маршруты передачи данных в сети Во многих

случаях физическая топология однозначно определяет логическую

топологию Однако существуют такие конфигурации в которых логическая

топология отличается от физической Например сеть с физической

- 33 -

топологией laquoзвездаraquo может иметь логическую топологию laquoшинаraquo ndash все

зависит от того каким образом устроен сетевой концентратор

Кодированиедекодирование данных Как известно данные обрабатываемые

компьютером представляются в двоичном виде - как последовательность

нулей и единиц Однако понятия нуль и единица являются логическими

понятиями обозначающими электрические сигналы отличающиеся друг от

друга физическими параметрами и использующиеся для представления

информации в различных устройствах например оперативной памяти или

центральном процессоре В силу различных технических причин эти сигналы

не всегда могут передаваться по физическим каналам связи Поэтому они

должны быть преобразованы Процесс преобразования сигналов удобных

для компьютера в сигналы которые могут быть переданы по сети

называется физическим кодированием а обратное преобразование -

декодированием

Передача сигналов Информационные сигналы передаются по физическим

линиям связи последовательно В случае если между передающей и

принимающей сторонами параллельно существуют более одной линии

например проложено несколько кабелей то оказывается возможным

одновременно (параллельно) передавать несколько сигналов Если эти

сигналы представляют различные биты передаваемых данных то

повышается скорость информационного обмена Если же сигналы

представляют один и тот же бит данных - то повышается надежность

взаимодействия

Канальный уровень

Канальный уровень отвечает за организацию передачи данных

между абонентами через физический уровень поэтому на данном

уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к общему физическому

каналу В функции данного уровня также входит упорядочивание

передачи с целью обеспечения возможности параллельного

использования одного физического канала несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем Большинство функций канального уровня

выполняются устройствами передачи данных (например сетевым

- 34 -

адаптером)

Метод коммутации

дной из центральных проблем организации передачи данных по физическим

каналам является проблема параллельного использования одного и того же

канала несколькими парами абонентов Методы лежащие в основе ее

решения получили название методов коммутации

В настоящее время существует два основных метода коммутации

коммутация каналов и коммутация пакетов

Коммутация каналов предполагает что перед началом передачи данных

должна быть выполнена процедура установления соединения в результате

которой образуется составной канал По окончании сеанса связи соединение

разрывается и канал освобождается Классическим примером реализации

коммутации каналов является телефонная связь которая подразумевает что

абонент перед началом разговора набирает номер второго абонента в

результате чего последовательное переключение промежуточных

коммутаторов позволяет образовать непрерывный канал связи между

абонентами Коммутация каналов удобна для организации линий связи в

которых подразумевается передача потоков данных постоянной

интенсивности например таких как телефонный разговор в силу чего этот

метод оказывается недостаточно гибким при построении компьютерных

сетей

Метод коммутации пакетов основан на разбиении передаваемых по сети

данных на небольшие порции Каждая такая порция передается по сети

как единое целое и называется пакетом Такой метод является очень

удобным для параллельного использования физического канала несколькими

парами абонентов канал является занятым только во время прохождения

пакета Временные промежутки между передачей пакетов одним абонентам

могут быть использованы другими для отправки собственных пакетов

Пакет обычно состоит из двух частей ndash заголовка содержащего служебные

данные необходимые для управления доставкой пакета и собственно

данных подлежащих передаче Порядок обмена пакетами а также

конкретный состав заголовка пакетов определяется сетевым протоколом

Для именования пакетов различных уровней модели OSI используются

специальные термины Для канального уровня используется термин кадр

для сетевого ndash пакет для транспортного ndash сегмент дейтаграмма для

сессионного и более высоких уровней ndash сообщение

- 35 -

Протоколы канального уровня

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена

способ представления информации а также необходимый набор правил

позволяющий упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток

битов Перед передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с

принципом пакетной коммутации разделяется на порции каждая из

которых снабжается заголовком содержащим некоторую служебную

информацию те формируется пакет На канальном уровне пакет называется

кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает

протокол Сложность канальных протоколов во многом определяется

сложностью топологии сети Очевидно что организовать общение всего двух

абонентов существенно проще чем упорядочивать информационный обмен в

сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких пар

абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Структура кадра данных

Состав заголовка кадра зависит от многих факторов определяемых набором

функций которые выполняет протокол Тем не менее можно выделить ряд

информационных полей которые обычно присутствуют в заголовке кадра К

таким полям относятся

1 Специальные поля предназначенные для определения границ кадров

Поскольку в физической среде могут постоянно проходить какие-либо

сигналы то сетевые адаптеры должны уметь разбираться в том когда

начинается передача кадра и когда она заканчивается

2 Поле предназначенное для определения протокола сетевого уровня

которому необходимо передать данные Так как на одном компьютере могут

функционировать программные модули различных протоколов сетевого

уровня то протоколы канального уровня должны уметь распределять данные

по этим протоколам

3 Контрольная сумма (или специальный код) содержимого кадра которая

позволяет принимающей стороне определить наличие ошибок в принятых

данных Принцип ее использования состоит в следующем Сетевой адаптер

отправляющего компьютера после формирования кадра вычисляет значение

- 36 -

его контрольной суммы на основе содержимого и помещает это значение в

заголовок кадра Принимающая сторона также вычисляет контрольную

сумму полученного кадра и сравнивает его со значением помещенным в

заголовке Если они не совпадают то это означает что во время передачи

кадра произошла ошибка

4 Поля предназначенные для адресации абонентов в сложных сетях

(определены для протоколов применяемых в сетях базирующихся на

сложных топологиях)

Обобщенная структура кадра данных

Протоколы для сетей сложных топологий

Протоколы канального уровня этой группы являются более сложными чем

протоколы использующиеся в сетях типа точка-точка так как вынуждены

выполнять ряд дополнительных функций Основными функциями являются

Выделение на всем множестве компьютеров подключенных к сети

конкретного абонента с которым осуществляется информационный обмен

то есть адресация

Адресация абонентов

Упорядочивание доступа к среде передачи в случае когда нескольким парам

абонентов требуется осуществить передачу данных

Для обеспечения адресации абонентов в заголовке кадров должны

присутствовать следующие поля

- 37 -

1 Адрес отправителя ndash некоторое число (или набор чисел) позволяющее

идентифицировать сетевой адаптер (а следовательно и компьютер в

котором она установлена) который осуществил передачу кадра данных в

сеть Адреса присваиваются сетевым адаптерам на заводе-изготовителе и

как правило не изменяются в дальнейшем хотя большинство современных

адаптеров позволяют перепрограммировать сетевой адрес

Протоколы канального уровня и сетевые технологии

Функциональный состав того или иного протокола канального уровня во

многом определяется особенностями физического уровня например

топологией сети или типом среды передачи Поэтому при проектировании

сетевого взаимодействия используются и разрабатываются комплексные

стандарты получившие название сетевых технологий

Сетевая технология ndash это набор стандартов определяющий минимальный

состав программно-аппаратных средств достаточный для организации

взаимодействия компьютеров в сети Как правило сетевая технология

определяет топологию сети а также протокол канального уровня (формат

кадра порядок обмена кадрами MTU)

В настоящее время существует большое количество сетевых технологий и

соответственно определяемых ими протоколов канального уровня

Рассмотрим для примера одну из наиболее популярных в настоящее время

технологий ndash технологию локальных сетей Ethernet Эта технология

предполагает что сеть должна строиться на основе физических топологий

шина если используется коаксиальный кабель или звезда если

используется кабель типа витая пара В зависимости от типа используемого

кабеля скорость передачи данных лежит в диапазоне 10-100 Мбитс В

качестве метода доступа к среде передачи используется метод обнаружения

коллизий (CSMACD) Что касается формата кадра то в настоящее время на

практике используются 4 варианта кадров Ethernet отличающихся друг от

друга но все они согласуются с общими положениями изложенными ранее

Максимальный объем данных передаваемых в одном кадре (MTU) в

технологии Ethernet не может превышать 1500 байт

Помимо технологии Ethernet в настоящее время в локальных сетях широко

используются технологии AppleTalk FDDI и ATM В глобальных сетях

широко распространены технологии ATM FrameRelay ISDN и SMDS

Существует также ряд технологий использующихся для организации

беспроводных сетей Наиболее популярной технологией применяемой при

- 38 -

построении локальных сетей в настоящее время является технология

RadioEthernet Она предполагает передачу данных в двух УКВ-диапазонах

около 915 МГЦ и 2400-24835 МГц а также в инфракрасном спектре

Диапазон 915 МГц в России и Европе достаточно сильно загружен

средствами связи (сотовая телефония) поэтому он используется как

правило для организации сетей внутри зданий хотя технически позволяет

осуществлять передачу на значительные расстояния Это же ограничение

распространяется и на инфракрасный диапазон поскольку инфракрасные

лучи чувствительны к погодным условиям В зависимости от того какой

режим передачи используется сети RadioEthernet позволяют осуществлять

передачу данных со скоростью 2 - 10 Мбитс Технология RadioEthernet

предполагает построение сетей на базе топологий точка-точка и звезда В

качестве метода доступа используется метод предупреждения коллизий

(CSMACA)

Наряду с кабельными и беспроводными технологиями существуют также

технологии предполагающие комбинирование различных типов физической

среды передачи Обычно они применяются для построения асимметричных

сетей небольшие по объему запросы пользовательских компьютеров

передаются по кабельным каналам например с использованием телефонных

линий и модемов а прием осуществляется через спутниковый радиоканал

Объединение сетей на канальном уровне

Сложные сети в общем случае представляют собой совокупность

нескольких сетей Такие сети называются объединенными сетями

(internetwork)

Необходимость объединения сетей может быть вызвана разными причинами

Прежде всего это - преодоление технических ограничений среды передачи

например максимального расстояния передачи данных Кроме того

построение сети как объединенной позволяет повысить надежность (выход

из строя одной физической среды не влияет на работу остальных) и

обеспечить определенный уровень конфиденциальности (данные

передаваемые между компьютерами одной физической среды оказываются

недоступными компьютерам других сетей)

Для построения объединенных сетей требуются специальные устройства

которые позволяют подключать к себе две (или более) сети Наиболее

простым устройством такого вида является мост (bridge)

Мост

- 39 -

Принцип функционирования моста достаточно прост для подключения сетей

мост располагает несколькими портами с каждым из которых связываются

записи так называемой адресной таблицы содержащей список адресов

компьютеров сетей подключенных к мосту Когда мост получает кадр

данных то он передает его в сеть через порт который согласно таблице

соответствует адресу получателя В случае если адрес получателя не

обнаружен в адресной таблице то кадр передается во все сети Адресные

таблицы мостов как правило строятся на основе анализа кадров

передаваемых по сетям

Функции сетевого уровня

Сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе

различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне

достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети

но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети

с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это

объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

адресации определенных различными технологиями Поэтому для

обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства

представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую

абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых

технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого

уровня модели OSI

Очевидно что устройства этого уровня предназначенные для объединения

сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального

уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную

передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть

определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку

составной сети Процесс определения пути прохождения данных через

подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства

объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название

маршрутизаторов

- 40 -

Протокол IP

Протокол IP (Internet Protocol) входит в состав стека протоколов TCPIP и

является основным протоколом сетевого уровня использующимся в

Интернет и обеспечивающим единую схему логической адресации устройств

в сети и маршрутизацию данных

Для выполнения своих функций протокол определяет свой собственный

формат пакета Основными информационными полями заголовка пакета

являются

IP-адреса отправителя и получателя ndash предназначены для

идентификации отправителя и получателя (см IP-адресация)

Время жизни пакета (Time To Live TTL) - определяет время которое

IP-пакет может находиться в сети и предназначено для

предотвращения захламления сети заблудившимися пакетами

поля предназначенные для фрагментации пакетов (см IP-

фрагментация)

поля предназначенные для управления обработкой пакета (длина

пакета и заголовка контрольная сумма заголовка тип обслуживания и

тд)

Существует 5 классов IP-адресов ndash A B C D E Принадлежность IP-

адреса к тому или иному классу определяется значением первого

октета (W) Ниже показано соответствие значений первого октета и

классов адресов

Класс IP-адреса A B C D E

Диапазон первого

октета

1-

126

128-

191

192-

223

224-

239

240-

247

IP-адреса первых трех классов предназначены для адресации

отдельных узлов и отдельных сетей Такие адреса состоят из двух

частей ndash номера сети и номера узла Такая схема аналогична схеме

почтовых индексов ndash первые три цифры кодируют регион а остальные

ndash почтовое отделение внутри региона

Преимущества двухуровневой схемы очевидны она позволяет во-

первых адресовать целиком отдельные сети внутри составной сети

что необходимо для обеспечения маршрутизации а во-вторых ndash

присваивать узлам номера внутри одной сети независимо от других

сетей Естественно что компьютеры входящие в одну и ту же сеть

должны иметь IP-адреса с одинаковым номером сети

- 41 -

IP-Маршрутизация ndash процесс выбора пути для передачи пакета в сети Под

путем (маршрутом) понимается последовательность маршрутизаторов через

которые проходит пакет по пути к узлу-назначению IP-маршрутизатор ndash это

специальное устройство предназначенное для объединения сетей и

обеспечивающее определение пути прохождения пакетов в составной сети

Маршрутизатор должен иметь несколько IP-адресов с номерами сетей

соответствующими номерам объединяемых сетей

Как известно для разных сетевых технологий значение MTU определенное

для кадров данных может отличаться Поэтому при преобразовании кадров

на маршрутизаторе может потребоваться разделение вложенных в них IP-

пакетов на более мелкие пакеты

Для разделения пакетов на фрагменты модуль IP установленный на

маршрутизаторе создает на его основе некоторое число новых пакетов (в

соответствии с длиной исходного пакета и значения MTU для сети куда

должны быть переданы данные) Для того чтобы данные могли быть

правильно собраны получателем в заголовки новых IP-пакетов помещается

специальный числовой идентификатор позволяющий однозначно

определить что эти пакеты являются фрагментами одного большого пакета

Кроме того в заголовках также указывается положения фрагментов в

исходном пакете что позволяет обеспечить правильный порядок сборки

получателем

Вспомогательные протоколы сетевого уровня стека TCPIP

Главными функциями протокола IP является обеспечение единой схемы

адресации независимой от принципов адресации определяемых сетевыми

технологиями (адресацией канального уровня) а также передача данных по

составной сети (маршрутизация и фрагментация пакетов) Однако для

организации реального взаимодействия этого оказывается недостаточно -

существует еще ряд проблем

Первая проблема состоит в следующем Для того чтобы передать данные по

сети программное обеспечение протокола IP создает пакет и передает его

средствам канального уровня При этом средствам канального уровня для

формирования кадра данных необходим адрес получателя причем не

логический IP-адрес а MAC-адрес который может быть правильно опознан

сетевым адаптером принимающего компьютера Однако спецификацией

протокола IP не предусмотрен механизм позволяющий определять

соответствие между аппаратными и IP-адресами Эту функцию выполняет

вспомогательный протокол сетевого уровня ARP (Address Resolution

Protocol) входящий в семейство протоколов TCPIP

- 42 -

Другая серьезная проблема состоит в том что если при обработке IP-пакета

на маршрутизаторе возникли какие-то проблемы например истекло время

жизни пакета то отправитель о них не узнает поскольку механизм

обратной связи также не предусмотрен спецификацией протокола IP Для

решения этой проблемы используется специальный протокол сетевого

уровня ICMP (Internet Control Message Protocol) входящий в стек протоколов

TCPIP и обеспечивающий передачу управляющей информации и

информации об ошибках

В семействе протоколов TCPIP предусмотрен также ряд других

вспомогательных протоколов например протоколы динамической

маршрутизации обеспечивающие обмен информацией между

маршрутизаторами с целью автоматизации построения таблиц

маршрутизации

Транспортный уровень

Функции транспортного уровня

Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных между

устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд)

Однако не следует забывать что на одном узле может функционировать

параллельно несколько программ которым требуется доступ к сети

Следовательно данные внутри компьютерной системы должны

распределяться между программами Поэтому при передаче данных по сети

недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо также

идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является

отсутствие средств позволяющих передавать большие массивы данных

Когда исходные данные превышают максимально допустимый размер пакета

сетевого уровня то эти данные должны быть разбиты на порции каждая из

которых передается в сеть отдельным пакетом Однако каждый пакет

сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других блок

данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и

следовательно ndash обнаружить нарушение целостности общего массива

данных Поэтому средства транспортного уровня обеспечивают отсутствие

потерь информации Такой режим передачи данных получил название

гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой

- 43 -

функциональную надстройку над сетевым уровнем и решают две основных

задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

обеспечение гарантированной доставки массивов данных

произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash

UDP обеспечивающий негарантированную доставку данных между

программами и TCP обеспечивающий гарантированную доставку с

установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной

уровень

Компоненты четырех нижних уровней модели OSI (физического канального

сетевого и транспортного) представляют собой механизм обеспечивающий

доставку данных любого типа и произвольного объема между программами

работающими на разных узлах составной сети Однако при работе в сети

пользователям требуется не просто пересылка данных а выполнение каких-

либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех

возможностей которые предоставляют средства нижних уровней

недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо

просмотреть документ расположенный не на его локальном компьютере а

на удаленной машине Решение такой задачи предполагает как минимум

прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса

содержащего имя документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного

компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной

машины изменений вносимых в этот документ другими пользователями и

уведомление об этом пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав

пользователя на работу с документом что предполагает дополнительный

- 44 -

обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних

уровней не имеют средств позволяющих реализовать специфику такого

взаимодействия Поэтому для его организации требуются дополнительные

надстройки над средствами транспортного и нижележащих уровней В

эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный уровень

уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или

сессии) при длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое

(виртуальное) соединение между двумя программами в общем случае

функционирующими на разных компьютерах В простейшем случае

установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти

необходимых для приема и передачи данных После окончания передачи

данных происходит закрытие соединения предполагающее освобождение

выделенных ресурсов Во многих случаях этого недостаточно поэтому

сессионный уровень предлагает более сложные механизмы для организации

сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая

поддержка осуществляется путем периодической отправки специальных

тестовых пакетов при получении которых участник соединения должен

ответить Возвращаясь к предложенному выше примеру следует отметить

что установление соединения при работе с удаленным документом позволяет

один раз перед началом работы проверить права доступа пользователя а

также один раз передать запрос с именем файла В случае если бы

соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог

бы уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться

дополнительное преобразование Например это необходимо в случае если

взаимодействующие программы используют различные способы кодировки

текстовой информации или если для обеспечения защиты информации

требуется осуществлять шифрование данных Обеспечение подобных

промежуточных преобразований возложено на уровень представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными

уровнями Они позволяют осуществлять работу с различными

информационными ресурсами сети например файлами или сообщениями

электронной почты Естественно что различные типы ресурсов в общем

случае требуют различных методов обработки и в том числе методов

сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI

- 45 -

является прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции

работы с конкретными информационными объектами В предложенном выше

примере (чтение удаленного документа) к функциям прикладного протокола

относятся формирование запросов на получение документа проверка прав

доступа а также определение порядка пересылки файлов и уведомлений об

изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами

определяемых протоколами прикладного уровня часть функций сессионного

уровня и уровня представления может оказаться избыточной поэтому при

программной реализации три верхних уровня обычно объединяются

Page 3: - 3 - ВВЕДЕНИЕicm.muctr.ru/study/computers/inf001.pdf · 2016-08-25 · - 7 - А) Количество информации как мера уменьшения неопределенности

- 5 -

О б ъ е к т и в н о с т ь информации -это понятие является

относительным(Это понятно тк методы являются субъективными)

Например принято считать что в результате наблюдения фотоснимка

объекта информауия будет более объективная чем в результате

наблюдения рисунка того же объекта

П о л н о т а информации - во многом характеризует еѐ качество и

определяет достаточность данных для принятия решений Чем полнее

данные тем шире диапазон методов которые можно использовать

Информация может существовать в самых разнообразных формах

- в форме световых звуковых или радиоволн

- в форме электрического тока или напряжения

- в форме магнитных полей

- в виде знаков на бумаге и др

В принципе информацию может переносить любая материальная

структура или поток энергии

Под обработкой информации в информатике понимают любое

преобразование информации из одного вида в другой производимое

по строгим формальным правилам

Компьютеры обрабатывают информацию путем выполнения некоторых

алгоритмов

система для передачи и преобразования информации называется

информационной система (ИС)

Что такое информационные технологиии

laquoИнформационные технологииraquo (ИТ) ndash это технологии для создания

информационных систем и управления ими

12 Эволюция информатики Истоки и этапы развития ИТ

На ранних этапах развития общества профессиональные навыки

передавались в основном личным примером по принципу делай как я В

качестве форм передачи информации использовались ритуальные танцы

обрядовые песни устные предания и тд

Первый этап развития информационной технологии связан с открытием

способов длительного хранения информации на материальном

носителе Это -пещерная живопись гравировка по кости (лунный

календарь числовые нарезки для измерения) Период между появлением

инструментов для обработки материальных объектов и регистрации

информационных образов составляет около миллиона лет

Второй этап развития информационной технологии начал свой отсчет

около 6 тыс лет назад и связан с появлением письменности Эра

письменности характеризуется появлением технологии регистрации на

материальном носителе символьной информации Применение этих

технологий позволяет осуществлять накопление и длительное хранение

знаний В качестве носителей информации выступали и до сих пор

выступают камень кость дерево глина папирус шелк бумага Сейчас

- 6 -

этот ряд можно продолжить магнитные покрытия (лента диски

цилиндры и тд) жидкие кристаллы оптические носители

полупроводники и тд

В этот период накопление знаний происходит достаточно медленно и

обусловлено трудностями связанными с доступом к информации

(Хранение в виде рукописных изданий в единичных экземплярах

доступ к которым был существенно затруднен) Этот барьер был

разрушен на следующем этапе

Начало третьего этапа датируется 1445 годом когда Иоганн Гутенберг

изобрел печатный станок Появление книг открыло доступ к

информации широкому кругу людей и резко ускорило темпы

накопления систематизированных по отраслям знаний С этого

момента началось необратимое поступательное движение

технологической цивилизации Книгопечатание - это первая

информационная революция

Четвертый этап развития информационной технологии начинается в

1946 году с появлением машины для обработки информации Этой

машиной является первая ЭВМ (типа ENIAC) запущенная в

эксплуатацию в Пенсильванском университете

Пятый этап развития информационной технологии наступил в 1982 году

после публикации эталонной модели взаимодействия открытых систем ISO

- ЭМ ВОС

13 Представление информации в компьютере Системы счисления

14Измерение количества информации ndash два подхода

Вопрос ―как измерить информацию Ответ на него зависит от того что

понимать под информацией Но поскольку определить информацию можно по-

разному то и способы измерения тоже могут быть разными

Под информацией в быту (житейский аспект) понимают сведения об

окружающем мире и протекающих в нем процессах воспринимаемые человеком или

специальными устройствами

Под информацией в технике понимают сообщения передаваемые в форме

знаков или сигналов

Под информацией в теории информации понимают не любые сведения а

лишь те которые снимают полностью или уменьшают существующую до их

получения неопределенность По определению К Шеннона информация ndash это

снятая неопределенность

Как же оценить количество информации

- 7 -

А) Количество информации как мера уменьшения неопределенности

знаний Единицы измерения количества информации

Формула Шеннона

Количество информации как мера уменьшения неопределенности знаний Информацию которую получает человек можно считать мерой уменьшения неопределенности знаний Если некоторое сообщение приводит к уменьшению неопределенности наших знаний то можно говорить что такое сообщение содержит информацию Сообщения обычно содержат информацию о каких-либо событиях Количество информации для событий с различными вероятностями определяется по формуле которую предложил КШеннон в 1948 году

где I - количество информации N - количество возможных событий pi - вероятности отдельных событий Если события равновероятны то количество информации определяется по формуле

- 8 -

или из показательного уравнения N = 2I

Единицы измерения количества информации За единицу количества информации принят 1 бит - количество информации содержащееся в сообщении уменьшающем неопределенность знаний в два раза Принята следующая система единиц измерения количества информации 1байт=8бит 1Кбайт=210байт 1Мбайт=210Кбайт=220байт 1Гбайт=210Мбайт=20Кбайт=230байт Пример После экзамена по информатике который сдавали ваши друзья объявляются оценки (2 3 4 или 5) Какое количество информации будет нести сообщение об оценке учащегося A который выучил лишь половину билетов и сообщение об оценке учащегося B который выучил все билеты Опыт показывает что для учащегося A все четыре оценки (события) равновероятны и тогда количество информации которое несет сообщение об оценке можно вычислить по формуле 22 I=log24=2бит На основании опыта можно также предположить что для учащегося B наиболее вероятной оценкой является 5 (p1 = 12) вероятность оценки 4 в два раза меньше (p2 = 14) а вероятности оценок 2 и 3 еще в два раза меньше (p3 = p4 = 18) Так как события неравновероятны воспользуемся для подсчета количества информации в сообщении формулой 21 I = -(12middotlog212 + 14middotlog214 + 18middotlog218 + 18middotlog218) бит = 175 бит Вычисления показали что при равновероятных событиях мы получаем большее количество информации чем при неравновероятных событиях

Алфавитный подход к измерению информации позволяет определить

количество информации заключенной тексте Алфавитный подход является

объективным те он не зависит от субъекта (человека) воспринимающего текст

Множество символов используемых при записи текста называется алфавитом

Полное количество символов в алфавите называется мощностью (размером)

алфавита Если допустить что все символы алфавита встречаются в тексте с

- 9 -

одинаковой частотой (равновероятно) то количество информации которое несет

каждый символ вычисляется по формуле

i = log2N где N mdash мощность алфавита Следовательно в 2-х

символьном алфавите каждый символ ―весит 1 бит (log22 = 1) в 4-х символьном

алфавите каждый символ несет 2 бита информации (log24 = 2) в 8-ми символьном mdash

3 бита (log2= 3) и тд Один символ из алфавита мощностью 256 (28) несет в тексте 8

бит информации Такое количество информации называется байт Алфавит из 256

символов используется для представления текстов в компьютере 1 байт = 8 бит

Если весь текст состоит из К символов то при алфавитном подходе размер

содержащейся в нем информации равен

I = К х i где i mdash информационный вес одного символа в используемом

алфавите

Информационный объем сообщения (информационная емкость

сообщения) ndash количество информации в сообщении измеренное в битах байтах или

производных единицах (Кбайтах Мбайтах и т д) Пример 1 Книга набранная с

помощью компьютера содержит 150 страниц на каждой странице mdash 40 строк b в

каждой строке mdash 60 символов Каков объем информации в книге

Решение Мощность компьютерного алфавита равна 256 Один символ несет 1 байт

информации Значит страница содержит 40 х 60 = 2400 байт информации Объем

всей информации в книге (в разных единицах)2400 х 150 == 360 000 байт

3600001024 = 3515625 Кбайт 35156251024 = 034332275 Мбайт

- 10 -

Глава 2 АРХИТЕКТУРА ЭВМ

21 История развития средств вычислительной техники ndash пять

поколений ЭВМ

22 Блок- схема ЭВМ (блок-схема по Нейману)

23 Блок- схема ПК Принцип открытой архитектуры

24 Характеристики вычислительных систем

25 Центральный процессор и микропроцессор

26 Системная плата

27 Внутренняя и внешняя память

210 Устройства ввода-вывода данных

Структура ЭВМ фон Неймана

Код

операции

Признаки

Команды

Операнды

Результаты

Исходные

данные

Программа

УВВ

ОЗУ

ВЗУ

АЛУ

УУ

Результаты

Адреса

- 11 -

bull Принципы Джон фон Неймана 1) принцип программного управления (программа состоит из набора команд которые выполняются процессором друг за другом в определенной последовательности) 2) принцип однородности памяти (программы и данные хранятся в одной и той же памяти) 3) принцип адресности (ОП состоит из пронумерованных ячеек и процессору в любой момент времени доступна любая ячейка)

- 12 -

Поколения ЭВМ

1На основе электронных ламп

2На основе электронных ламп и

дискретных транзисторных

логических элементов

3Семейства машин с единой

архитектурой

интегральные схемы

4Проектировались в расчете на

эффективное использование

современных высокоуровневых

языков

Поколения ЭВМ

1На основе электронных ламп

2На основе электронных ламп и

дискретных транзисторных

логических элементов

3Семейства машин с единой

архитектурой

интегральные схемы

4Проектировались в расчете на

эффективное использование

современных высокоуровневых

языков

- 13 -

Т

Основы построения ЭВМ

bull Принципы функционирования

универсальных вычислительных

устройств

bull 1 Принцип программного управления

bull 2 Принцип однородности памяти

bull 3 Принцип адресности

Поколения ЭВМ

- 14 -

Языки

сверхвысокого

Уровня

Сенсорные

Устройства

Оптические

диски

ДоскаСверхбольшие

Интегральные

схемы

90-нв5

Языки высокого

уровня

Интерактивные

устройства

ВинчестерыСтолБольшие

интеграль

ные

схемы

(БИС)

70ndash804

Алгоритмические

языки

ДисплеиМагнитные

диски

ШкафИнтегральные

схемы (ИС)

60ndash703

Автокоды

(ассемблер)

ТелетайпыМагнитные

ленты

КомнатаТранзисторы50ndash602

Машинные

языки

ПерфораторыМагнитный

барабан

Машинный

зал

Лампы40ndash501

ЯзыкиInoutНакопителиГабаритыЭлементыГодыПоколение

Глава 3 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

31 Развитие программного обеспечения

32Состав Microsoft Office

33 История языков программирования

Microsoft Word (часто mdash MS Word WinWord или просто Word) mdash это текстовый

процессор предназначенный для создания просмотра и редактирования текстовых

документов с локальным применением простейших форм таблично-матричных

алгоритмов Текстовый процессор выпускается корпорацией Microsoft в составе

пакета Microsoft Office Первая версия была написана Ричардом Броди (Richard

Brodie) для IBM PC использующих DOS в 1983 году Позднее выпускались версии

для Apple Macintosh (1984) SCO UNIX и Microsoft Windows (1989)

Microsoft Word многим обязан Bravo mdash текстовому процессору с оригинальным

графическим интерфейсом разработанному в исследовательском центре laquoXerox

PARCraquo Создатель Bravo Чарльз Симони (Charles Simonyi) покинул PARC в 1981

году Тем же летом Симони переманил Броди с которым вместе работал над Bravo

Первый выпуск Word для MS-DOS состоялся в конце 1983 года Он был плохо принят

рынком продажи снижало наличие конкурирующего продукта mdash WordPerfect

Однако версия для Макинтоша выпущенная в 1985 году получила широкое

распространение Через два года laquoWord 301 для Macintoshraquo усилил позиции (версия 30

изобиловала ошибками и быстро была заменена) Как и прочее программное обеспечение

для Макинтоша Word был полностью WYSIWYG-редактором (принцип laquoWhat You See Is

What You Getraquo mdash laquoполучаю то что вижуraquo)

- 15 -

Хотя MS-DOS и являлась текстовой операционной системой лишѐнной графической

оболочки Word для DOS был первым текстовым процессором для IBM PC который был

способен отображать разметку текста например полужирный или курсивный текст в

процессе редактирования Однако он всѐ же не являлся в полном смысле WYSIWYG-

редактором Другие же текстовые процессоры такие как WordStar и WordPerfect

использовали простой текстовый экран с кодами разметки иногда текст был цветным

Однако поскольку в большинстве программного обеспечения под DOS применялись

собственные труднозапоминаемые комбинации laquoгорячих клавишraquo для каждой команды

(например в Wordrsquoе для DOS сохранение файла выполнялось по комбинации ESC-T-S) и

большинство секретарей умели пользоваться только WordPerfect компании весьма

неохотно переходили на конкурирующие с ним продукты имеющие сравнительно

небольшие преимущества

Первая версия Word для Windows выпущенная в 1989 году продавалась по цене 500

долларов США Она демонстрировала выбранный компанией Майкрософт путь развития

как и сама Windows она многое взяла от Macintosh и использовала стандартные

клавиатурные сокращения (например CTRL-S для сохранения файла) После выпуска в

следующем году Windows 30 продажи поползли вверх (Word 10 гораздо лучше работал с

Windows 30 чем с более старыми версиями Windows386 и Windows286) главный

конкурент mdash WordPerfect mdash не смог выпустить рабочую версию под Windows что

оказалось для него смертельной ошибкой Версия 20 утвердила WinWord на позиции

лидера рынка

У Word для Macintosh никогда не было серьѐзных конкурентов даже несмотря на наличие

программ вроде Nisus предоставлявшую возможность выделения нескольких несвязных

кусков текста (появившуюся только в Word 2002 из Office XP) и несмотря на мнение

многих пользователей об отсутствии кардинальных различий между версиями 301

выпущенной в 1987 году и версией 50 выпущенной в 1991 Однако версия 60 для

Macintosh вышедшая в 1994 году была многими воспринята довольно скептически Это

была первая версия без значительных отличий в коде ядра между версиями под Windows и

под Mac Версия под Windows следовавшая за 20 была пронумерована как 60 для

координации названия версий под разные платформы

Последовавшие версии добавляли возможности выходящие за рамки простого текстового

процессора Инструменты рисования позволяли выполнять примитивные операции

вѐрстки такие как добавление графики в документ хотя естественно

специализированные программы для вѐрстки лучше справляются с этими задачами

Внедрение объектов сравнение версий документа мультиязычная поддержка и многие

другие возможности были добавлены за последовавшие несколько лет

Microsoft Word является наиболее популярным из используемых в данный момент

текстовых процессоров что сделало его бинарный формат документа стандартом де-

факто и многие конкурирующие программы имеют поддержку совместимости с данным

форматом Расширение laquodocraquo на платформе IBM PC стало синонимом двоичного формата

Word 97mdash2000 Фильтры экспорта и импорта в данный формат присутствуют в

большинстве текстовых процессоровФормат документа разных версий Word меняется

различия бывают довольно тонкими Форматирование нормально выглядящее в

последней версии может не отображаться в старых версиях программы однако есть

ограниченная возможность сохранения документа с потерей части форматирования для

открытия в старых версиях продукта Последняя версия MS Word 2007 использует по

умолчанию формат основанный на XML - Microsoft Office Open XML Спецификация

- 16 -

форматов файлов Word 97-2007 были опубликован Microsoft в 2008 году[1][2]

Ранее

большая часть информации нужной для работы с данным форматом добывалась

посредством обратного инжиниринга поскольку основная еѐ часть отсутствовала в

открытом доступе или была доступна лишь ограниченному числу партнеров и

контролирующих организаций

Как и прочие приложения из Microsoft Office Word может расширять свои возможности

посредством использования встроенного макроязыка (сначала использовался WordBasic с

версии Word 97 применяется VBA mdash Visual Basic для приложений) Однако это

предоставляет широкие возможности для написания встраиваемых в документы вирусов

(так называемые laquoмакровирусыraquo) Наиболее ярким примером была эпидемия червя

Melissa В связи с этим многие считают разумной рекомендацию всегда выставлять

наивысший уровень настроек безопасности при использовании Word (Меню

laquoToolsgtMacrogtSecurityraquo laquoСервисgtМакросgtБезопасностьhellipraquo в локализованных русских

версиях) Также нелишним будет использовать антивирусное программное обеспечение

Первым вирусом заражавшим документы Microsoft Word был DMV созданный в декабре

1994 года Дж МакНамарой для демонстрации возможности создания макровирусов

Первым же вирусом попавшим в дикую природу и вызвавшим первую в мире

эпидемию макровирусов (это произошло в июле-августе 1995 г) был Concept

12 августа 2009 года суд штата Техас запретил продажу программы Word на территории

США в связи с тем что Microsoft незаконно использует метод чтения XML-файлов

патент на который принадлежит канадской компании i4i [3]

В 1982 году Microsoft запустила на рынок первый электронный табличный процессор

Multiplan который был очень популярен на CPM системах но на MS-DOS системах он

уступал Lotus 1-2-3 Первая версия Excel предназначалась для Mac и была выпущена в

1985 году а первая версия для Windows была выпущена в ноябре 1987 года Lotus не

торопилась выпускать 1-2-3 под Windows и Excel с 1988 года начала обходить по

продажам 1-2-3 что в конечном итоге помогло Microsoft достичь позиций ведущего

разработчика программного обеспечения Microsoft укрепляла свое преимущество с

выпуском каждой новой версии что имело место примерно каждые два года Текущая

версия для платформы Windows mdash Excel 12 также известная как Microsoft Office Excel

2007 Текущая версия для платформы Mac OS X mdash Microsoft Excel 2008

В начале своего пути Excel стал причиной иска о товарном знаке от другой компании уже

продававшей пакет программ под названием laquoExcelraquo В результате спора Microsoft был

обязана использовать название laquoMicrosoft Excelraquo во всех своих официальных пресс-

релизах и юридических документах Однако со временем эта практика была позабыта и

Microsoft окончательно устранила проблему приобретя товарный знак другой программы

Microsoft также решила использовать буквы XL как сокращенное название программы

иконка Windows-программы состоит из стилизованного изображения этих двух букв а

расширение файлов по умолчанию в Excel mdash xls В сравнении с первыми табличными

процессорами Excel представляет множество новых функций пользовательского

интерфейса но суть остается прежней как и в программе-родоначальнике VisiCalc

ячейки расставляются в строки и столбцы и могут содержать данные или формулы с

относительными или абсолютными ссылками на другие клетки

Excel был первым табличным процессором позволявшим пользователю менять внешний

вид таблицы (шрифты символы и внешний вид ячеек) Он также первым представил

метод умного пересчета ячеек когда обновляются только те ячейки которые зависят от

- 17 -

измененных ячеек (раньше табличные процессоры либо постоянно пересчитывали все

ячейки или ждали команды пользователя)

Будучи впервые объединенными в Microsoft Office в 1993 году Microsoft Word и Microsoft

PowerPoint получили новый графический интерфейс для соответствия Excel главного

стимула модернизации ПК в то время

Начиная с 1993 года в состав Excel входит Visual Basic для приложений (VBA) язык

программирования основанный на Visual Basic позволяющий автоматизировать задачи

Excel VBA является мощным дополнением к приложению и в более поздних версиях

Excel доступна полнофункциональная интегрированная среда разработки Можно создать

VBA-код повторяющий действия пользователя и таким образом автоматизировать

простые задачи VBA позволяет создавать формы для общения с пользователем Язык

поддерживает использование (но не создание) DLL от ActiveX более поздние версии

позволяют использовать элементы объектно-ориентированного программирования

Функциональность VBA делала Excel легкой мишенью для макровирусов И это было

серьезной проблемой до тех пор пока антивирусные продукты не научились

обнаруживать их Фирма Microsoft с опозданием приняв меры для уменьшения риска

добавила возможность выбора режима безопасности

Идея PowerPoint появилась у Боба Гаскинса (Bob Gaskins) студента университета Беркли

который решил что наступает век графических интерактивных материалов В 1984 году

Гаскинс присоединился к провальной компании Forethought и нанял разработчика

Денниса Остина (Dennis Austin) Боб и Деннис объединили усилия и создали программу

Presenter Деннис создал оригинальную версию программы с Томом Рудкиным (Tom

Rudkin) Позже Боб решил сменить имя на PowerPoint которое и стало названием

конечного продукта

В 1987 году вышел PowerPoint 10 для Apple Macintosh Он работал в черно-белом цвете

Вскоре появились цветные Macintosh и новая версия PowerPoint не заставила себя ждать

Программное руководство с первой редакцией было уникально Это была книга синего

цвета в твердом переплете Компания Forethought считала что это лучше чем куча

исполняемых файлов помощи на компьютере и инструкций в электронном виде Но

обновление инструкции было необоснованно дорого Идея с подобными книгами была

вскоре заброшена

Позже в 1987 году Forethought и ее продукт были куплены Microsoft за 14 млн $ В 1990

году вышла версия для Windows C 1990 года PowerPoint стал стандартом в наборе

программ Microsoft Office

В 2002 году вышла версия PowerPoint которая не только была включена в пакет Microsoft

Office XP но также распространялась как отдельный продукт В нем появились такие

функции как сравнение и смешение изменений в презентации возможность задавать пути

анимации для индивидуальных форм создание пирамидальных радиальных и целевых

диаграмм а также кругов Эйлера панель задач для просмотра и выбора объектов буфера

обмена защита презентации паролем автоматическая генерация фотоальбома а также

―умные теги для быстрого выбора формата текста скопированного в презентацию

Microsoft PowerPoint 2003 не сильно отличается от предшественника Он увеличивает

эффективность работы в группе и теперь имеет возможность создания ―Пакета для CD

- 18 -

который легко позволяет скопировать презентацию с мультимедийным содержанием и

просмотрщик на компакт диск

Текущая версия Power Point 2007 привносит основные изменения в интерфейс программы

и увеличивает графические возможности

PowerPoint является частью Microsoft Office Это позволило PowerPoint стать наиболее

распространенной во всем мире программой для создания презентаций Файлы

презентаций PowerPoint часто пересылаются пользователями программы на другие

компьютеры что означает необходимую совместимость с ними программ конкурентов

Однако поскольку Power Point имеет возможность подключения элементов других

приложений через OLE некоторые презентации становятся сильно привязанными к

платформе Windows что делает невозможным открытие данных файлов например в

версии для Mac OS Это привело к переходу на открытые стандарты такие как PDF и

OASIS OpenDocument

Глава 4 АЛГОРИТМИЗАЦИЯ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

41 Структурный подход к разработке алгоритмов и программ

42 Основные структуры и операторы VBA

43 Примеры на VBA

- 19 -

Глава 5ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ

Компьютерные сети

Понятие компьютерной сети

Компьютерная сеть (Computer Network) ndash это множество компьютеров соединенных

линиями связи и работающих под управлением специального программного обеспечения

Под линией связи обычно понимают совокупность технических устройств и

физической среды обеспечивающих передачу сигналов от передатчика к приемнику В

реальной жизни примерами линий связи могут служить участки кабеля и усилители

обеспечивающие передачу сигналов между коммутаторами телефонной сети На основе

линий связи строятся каналы связи

Каналом связи обычно называют систему технических устройств и линий связи

обеспечивающую передачу информации между абонентами Соотношение между

понятиями канал и линия описывается следующим образом канал связи может

включать в себя несколько разнородных линий связи а одна линия связи может

использоваться несколькими каналами

Главной целью объединения компьютеров в сеть является предоставление пользователям

возможности доступа к различным информационным ресурсам (например документам

программам базам данных и тд) распределенным по этим компьютерам и их

совместного использования

Важной характеристикой любой компьютерной сети является широта территории

которую она охватывает Широта охвата определятся взаимной удаленностью

компьютеров составляющих сеть и следовательно влияет на технологические решения

выбираемые при построении сети Классически выделяют два типа сетей локальные сети

и глобальные сети

К локальным сетям (Local Area Network LAN) обычно относят сети компьютеры

которых сосредоточены на относительно небольших территориях (как правило в радиусе

до 1-2 км) Классическим примером локальных сетей является сеть одного предприятия

расположенного в одном или нескольких стоящих рядом зданиях Небольшой размер

локальных сетей позволяет использовать для их построения достаточно дорогие и

высококачественные технологии что обеспечивает высокую скорость обмена

информацией между компьютерами

Глобальные сети (Wide Area Network WAN) ndash это сети предназначенные для

объединения отдельных компьютеров и локальных сетей расположенных на

значительном удалении (сотни и тысячи километров) друг от друга Поскольку

организация специализированных высококачественных каналов связи большой

протяженности является достаточно дорогой то в глобальных сетях нередко

используются уже существующие и изначально не предназначенные для построения

компьютерных сетей линии (например телефонные или телеграфные) В связи с этим

скорость передачи данных в таких сетях существенно ниже чем в локальных

Независимо от того какую территорию покрывает сеть какие технологические решения

лежат в основе ее организации существуют общие принципы сетевого взаимодействия

которым должно подчиняться функционирование сети Именно выработка таких общих

- 20 -

принципов способствовала в свое время появлению Интернет (Internet) как объединенной

сети (иногда даже используется термин гиперсеть) собравшей в своем составе

локальные городские и глобальные сети всей планеты

Модель сетевого взаимодействия

В 1984 году Международной Организацией по Стандартизации (International Standard

Organization ISO) была разработана модель взаимодействия открытых систем (Open

Systems Interconnection OSI) Модель представляет собой международный стандарт для

проектирования сетевых коммуникаций и предполагает уровневый подход к построению

сетей Каждый уровень модели обслуживает различные этапы процесса взаимодействия

Посредством деления на уровни сетевая модель OSI упрощает совместную работу

оборудования и программного обеспечения Модель OSI разделяет сетевые функции на

семь уровней прикладной уровень представления сессионный транспортный сетевой

канальный и физический

Физический уровень (Physical layer) определяет способ физического соединения

компьютеров в сети Функциями средств относящихся к данному уровню являются

побитовое преобразование цифровых данных в сигналы передаваемые по физической

среде (например по кабелю) а также собственно передача сигналов

Канальный уровень(Data Link layer) отвечает за организацию передачи данных между

абонентами через физический уровень поэтому на данном уровне предусмотрены

средства адресации позволяющие однозначно идентифицировать отправителя и

получателя во всем множестве абонентов подключенных к обще линии связи В функции

данного уровня также входит упорядочивание передачи с целью параллельного

использования одной линии связи несколькими парами абонентов Кроме того средства

канального уровня обеспечивают проверку ошибок которые могут возникать при

передаче данных физическим уровнем

Сетевой уровень(Network layer) обеспечивает доставку данных между компьютерами

сети представляющей собой объединение различных физических сетей Данный уровень

предполагает наличие средств логической адресации позволяющих однозначно

- 21 -

идентифицировать компьютер в объединенной сети Одной из главных функций

выполняемых средствами данного уровня является целенаправленная передача данных

конкретному получателю

Транспортный уровень(Transport layer) реализует передачу данных между двумя

программами функционирующими на разных компьютерах обеспечивая при этом

отсутствие потерь и дублирования информации которые могут возникать в результате

ошибок передачи нижних уровней В случае если данные передаваемые через

транспортный уровень подвергаются фрагментации то средства данного уровня

гарантируют сборку фрагментов в правильном порядке

Сессионный (или сеансовый) уровень (Session layer) позволяет двум программам

поддерживать продолжительное взаимодействие по сети называемое сессией (session)

или сеансом Этот уровень управляет установлением сеанса обменом информацией и

завершением сеанса Он также отвечает за идентификацию позволяя тем самым только

определенным абонентам принимать участие в сеансе и обеспечивает работу служб

безопасности с целью упорядочивания доступа к информации сессии

Уровень представления(Presentation layer) осуществляет промежуточное

преобразование данных исходящего сообщения в общий формат который предусмотрен

средствами нижних уровней а также обратное преобразование входящих данных из

общего формата в формат понятный получающей программе

Основные принципы уровневого взаимодействия

При уровневой организации процесса взаимодействия должны соблюдаться следующие

требования

компоненты одного уровня одной системы могут взаимодействовать с

компонентами только того же уровня другой системы

в рамках одной системы компоненты какого-либо уровня могут взаимодействовать

только с компонентами смежных (вышележащего и нижележащего) уровней

Набор правил определяющих порядок взаимодействия средств относящихся к одному и

тому же уровню и функционирующих в разных системах называется протоколом

(protocol) Правила взаимодействия между собой средств относящихся к смежным

уровням и функционирующих в одной системе называются интерфейсом (interface)

Функции физического уровня

Физический уровень определяет способ физического соединения компьютеров в сети

Основными функциями средств относящихся к данному уровню является побитовое

преобразование цифровых данных в сигналы среды передачи а также собственно

передача сигналов по физической среде

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно распространение

информационных сигналов в виде электрических световых и тп импульсов В настоящее

время выделяют два основных типа физических соединений соединения с помощью

кабеля и беспроводные соединения

- 22 -

Кабель (cable) используемый для построения компьютерных сетей представляет собой

сложную конструкцию состоящую в общем случае из проводников изолирующих и

экранирующих слоев В современных сетях используются три типа кабеля

Каждый тип кабеля отличается от других внутренним устройством и обладает целым

набором технических характеристик влияющих на основные потребительские параметры

сетей

Тип кабеля Характеристика

Максимальное

расстояние передачи

Максимальная

скорость передачи

Коаксиальный

кабель 185 ndash 500 м 10 Мбитс

Витая пара 30 ndash 100 м 10 Мбитс ndash 1

Гбитс

Оптоволоконный

кабель 2 км

10 Мбитс ndash 2

Гбитс

Топология сети - способ соединения компьютеров с помощью физической среды

Если сеть состоит всего из двух компьютеров то они соединяются напрямую Такой

способ соединения получил название точка-точка (point-to-point)

Выделяют три базовые топологии Шина (bus) Кольцо (ring) Звезда(star)

laquoШинаraquo - использует один передающий канал на базе коаксиального кабеля называемый

шиной Все сетевые компьютеры присоединяются напрямую к шине На концах кабеля-

шины устанавливаются специальные заглушки - терминаторы (terminator) Они

необходимы для того чтобы погасить сигнал после прохождения по шине К недостаткам

топологии Шина следует отнести следующее

данные предаваемые по кабелю доступны всем подключенным компьютерам

в случае повреждения шины вся сеть перестает функционировать

laquoКольцоraquo - характерно отсутствие конечных точек соединения сеть замкнута образуя

неразрывное кольцо по которому передаются данные Эта топология подразумевает

следующий механизм передачи данные передаются последовательно от одного

компьютера к другому пока не достигнут компьютера-получателя Недостатки топологии

кольцо те же то и у топологии шина

общедоступность данных

неустойчивость к повреждениям кабельной системы

В сети с топологией звезда все компьютеры соединены со специальным устройством

называемым сетевым концентратором или хабом (hub) который выполняет функции

- 23 -

распределения данных Прямые соединения двух компьютеров в сети отсутствуют

Благодаря этому имеется возможность решения проблемы общедоступности данных а

также повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы Однако

функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора

Канальный уровень - отвечает за организацию передачи данных между абонентами

через физический уровень поэтому на данном уровне предусмотрены средства адресации

позволяющие однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к общему физическому каналу В функции данного

уровня также входит упорядочивание передачи с целью обеспечения возможности

параллельного использования одного физического канала несколькими парами абонентов

Средства канального уровня обеспечивают проверку ошибок которые могут возникать

при передаче данных физическим уровнем Большинство функций канального уровня

выполняются устройствами передачи данных (например сетевым адаптером)

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена способ

представления информации а также необходимый набор правил позволяющий

упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток битов Перед

передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с принципом пакетной

коммутации разделяется на порции каждая из которых снабжается заголовком

содержащим некоторую служебную информацию те формируется пакет На канальном

уровне пакет называется кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает протокол Сложность

канальных протоколов во многом определяется сложностью топологии сети Очевидно

что организовать общение всего двух абонентов существенно проще чем упорядочивать

информационный обмен в сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких

пар абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Сетевой уровень - сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

- 24 -

адресации определенных различными технологиями Поэтому для обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого уровня модели OSI Устройства этого уровня предназначенные для объединения сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку составной сети Процесс определения пути прохождения данных через подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название маршрутизаторов

Транспортный уровень Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных

между устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд) Однако

не следует забывать что на одном узле может функционировать параллельно несколько

программ которым требуется доступ к сети Следовательно данные внутри

компьютерной системы должны распределяться между программами Поэтому при

передаче данных по сети недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо

также идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является отсутствие средств

позволяющих передавать большие массивы данных Когда исходные данные превышают

максимально допустимый размер пакета сетевого уровня то эти данные должны быть

разбиты на порции каждая из которых передается в сеть отдельным пакетом Однако

каждый пакет сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других

блок данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и следовательно ndash

обнаружить нарушение целостности общего массива данных Поэтому средства

транспортного уровня обеспечивают отсутствие потерь информации Такой режим

передачи данных получил название гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой функциональную

надстройку над сетевым уровнем и решают две основных задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

- 25 -

обеспечение гарантированной доставки массивов данных произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash UDP

обеспечивающий негарантированную доставку данных между программами и TCP

обеспечивающий гарантированную доставку с установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной уровень - Компоненты четырех

нижних уровней модели OSI (физического канального сетевого и транспортного)

представляют собой механизм обеспечивающий доставку данных любого типа и

произвольного объема между программами работающими на разных узлах составной

сети Однако при работе в сети пользователям требуется не просто пересылка данных а

выполнение каких-либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех возможностей

которые предоставляют средства нижних уровней недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо просмотреть

документ расположенный не на его локальном компьютере а на удаленной машине

Решение такой задачи предполагает как минимум прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса содержащего имя

документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной машины

изменений вносимых в этот документ другими пользователями и уведомление об этом

пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав пользователя на

работу с документом что предполагает дополнительный обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних уровней не имеют

средств позволяющих реализовать специфику такого взаимодействия Поэтому для его

организации требуются дополнительные надстройки над средствами транспортного и

нижележащих уровней В эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный

уровень уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или сессии) при

длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое (виртуальное) соединение между

двумя программами в общем случае функционирующими на разных компьютерах В

простейшем случае установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти необходимых для

приема и передачи данных После окончания передачи данных происходит закрытие

соединения предполагающее освобождение выделенных ресурсов Во многих случаях

этого недостаточно поэтому сессионный уровень предлагает более сложные механизмы

для организации сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая поддержка

осуществляется путем периодической отправки специальных тестовых пакетов при

получении которых участник соединения должен ответить Возвращаясь к

предложенному выше примеру следует отметить что установление соединения при

работе с удаленным документом позволяет один раз перед началом работы проверить

- 26 -

права доступа пользователя а также один раз передать запрос с именем файла В случае

если бы соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог бы

уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться дополнительное

преобразование Например это необходимо в случае если взаимодействующие

программы используют различные способы кодировки текстовой информации или если

для обеспечения защиты информации требуется осуществлять шифрование данных

Обеспечение подобных промежуточных преобразований возложено на уровень

представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными уровнями Они

позволяют осуществлять работу с различными информационными ресурсами сети

например файлами или сообщениями электронной почты Естественно что различные

типы ресурсов в общем случае требуют различных методов обработки и в том числе

методов сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI является

прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции работы с конкретными

информационными объектами В предложенном выше примере (чтение удаленного

документа) к функциям прикладного протокола относятся формирование запросов на

получение документа проверка прав доступа а также определение порядка пересылки

файлов и уведомлений об изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами определяемых

протоколами прикладного уровня часть функций сессионного уровня и уровня

представления может оказаться избыточной поэтому при программной реализации три

верхних уровня обычно объединяются

Модель сетевого взаимодействия

В 1984 году Международной Организацией по Стандартизации (International

Standard Organization ISO) была разработана модель взаимодействия

открытых систем (Open Systems Interconnection OSI) Модель представляет

собой международный стандарт для проектирования сетевых коммуникаций

и предполагает уровневый подход к построению сетей Каждый уровень

модели обслуживает различные этапы процесса взаимодействия

Посредством деления на уровни сетевая модель OSI упрощает совместную

работу оборудования и программного обеспечения Модель OSI разделяет

сетевые функции на семь уровней прикладной уровень представления

сессионный транспортный сетевой канальный и физический

Ниже дается краткая характеристика уровней модели

Физический уровень (Physical layer) определяет способ физического

соединения компьютеров в сети Функциями средств относящихся к

данному уровню являются побитовое преобразование цифровых

- 27 -

данных в сигналы передаваемые по физической среде (например по

кабелю) а также собственно передача сигналов

Канальный уровень(Data Link layer) отвечает за организацию передачи

данных между абонентами через физический уровень поэтому на

данном уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к обще линии связи В функции

данного уровня также входит упорядочивание передачи с целью

параллельного использования одной линии связи несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем

Сетевой уровень(Network layer) обеспечивает доставку данных между

компьютерами сети представляющей собой объединение различных

физических сетей Данный уровень предполагает наличие средств

логической адресации позволяющих однозначно идентифицировать

компьютер в объединенной сети Одной из главных функций

выполняемых средствами данного уровня является целенаправленная

передача данных конкретному получателю

Транспортный уровень(Transport layer) реализует передачу данных

между двумя программами функционирующими на разных

компьютерах обеспечивая при этом отсутствие потерь и дублирования

информации которые могут возникать в результате ошибок передачи

нижних уровней В случае если данные передаваемые через

транспортный уровень подвергаются фрагментации то средства

данного уровня гарантируют сборку фрагментов в правильном

порядке

Сессионный (или сеансовый) уровень (Session layer) позволяет двум

программам поддерживать продолжительное взаимодействие по сети

называемое сессией (session) или сеансом Этот уровень управляет

установлением сеанса обменом информацией и завершением сеанса

Он также отвечает за идентификацию позволяя тем самым только

определенным абонентам принимать участие в сеансе и обеспечивает

работу служб безопасности с целью упорядочивания доступа к

информации сессии

Уровень представления(Presentation layer) осуществляет

промежуточное преобразование данных исходящего сообщения в

общий формат который предусмотрен средствами нижних уровней а

также обратное преобразование входящих данных из общего формата в

формат понятный получающей программе

Прикладной уровень (Application layer) предоставляет

высокоуровневые функции сетевого взаимодействия такие как

передача файлов отправка сообщений по электронной почте и тп

Основные принципы уровневого взаимодействия

- 28 -

При уровневой организации процесса взаимодействия должны соблюдаться

следующие требования

компоненты одного уровня одной системы могут взаимодействовать с

компонентами только того же уровня другой системы

в рамках одной системы компоненты какого-либо уровня могут

взаимодействовать только с компонентами смежных (вышележащего и

нижележащего) уровней

Порядок уровневого взаимодействия

Набор правил определяющих порядок взаимодействия средств относящихся

к одному и тому же уровню и функционирующих в разных системах

называется протоколом (protocol) Правила взаимодействия между собой

средств относящихся к смежным уровням и функционирующих в одной

системе называются интерфейсом (interface)

Практическая реализация уровневого взаимодействия

На практике протоколы и интерфейсы регламентируют технические

требования предъявляемые к программным и аппаратным средствам

Программные (аппаратные) модули предназначенные для обеспечения

практического взаимодействия определяемого тем или иным протоколом

(или интерфейсом) обычно называют реализацией протокола (или

интерфейса)

Хотя различные компоненты относящиеся к различным уровням сетевой

модели формально должны быть функционально независимыми друг от

друга при практической разработке протоколов такая независимость не

всегда выдерживается Это объясняется тем что попытка добиться точного

соответствия эталонной модели может привести к неэффективности работы

программно-аппаратного обеспечения реализующего протокол В настоящее

время наблюдается два типа отклонений возникающих при реализации

уровневого взаимодействия

- 29 -

функции некоторых уровней могут объединяться одним протоколом и

наоборот ndash функции одного уровня могут делиться между различными

протоколами

функционирование протокола какого-либо уровня подразумевают

использование только определенных протоколов нижележащего

уровня

Поэтому разработка практических методов сетевого взаимодействия как

правило подразумевает разработку не отдельных протоколов а целых

наборов протоколов Такие наборы обычно включают в себя протоколы

относящиеся к нескольким смежным уровням эталонной модели OSI и

называются стеками (или семействами наборами) протоколов (protocol stack

protocol suite) Наиболее известным стеком протоколов обеспечивающим

взаимодействие в сети Интернет является стек протоколов TCPIP

Физический уровень

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Среда передачи

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Физический уровень определяет способ физического соединения

компьютеров в сети Основными функциями средств относящихся к

данному уровню является побитовое преобразование цифровых данных в

сигналы среды передачи а также собственно передача сигналов по

физической среде

Кабельные системы

- 30 -

Кабель (cable) используемый для построения компьютерных сетей

представляет собой сложную конструкцию состоящую в общем случае из

проводников изолирующих и экранирующих слоев В современных сетях

используются три типа кабеля

Еще одним важным понятием физического уровня является способ

соединения компьютеров с помощью физической среды или топология сети

Если сеть состоит всего из двух компьютеров то они соединяются

напрямую Такой способ соединения получил название точка-точка

(point-to-point)

Соединение типа точка-точка

Для обеспечения связи более чем двух компьютеров может использоваться

последовательность соединений типа точка-точка

Последовательность соединений типа точка-точка

Однако такой подход требует установки на большую часть компьютеров

нескольких устройств передачи данных

В качестве альтернативного подхода возможно использование более

сложных топологий позволяющих подключить к общей среде сразу

несколько компьютеров имеющих по одному устройству передачи данных

- 31 -

Выделяют три базовые топологии Шина (bus) Кольцо (ring)

Звезда(star)

Топология laquoШинаraquo

Топология Шина

Эта топология использует один передающий канал на базе коаксиального

кабеля называемый шиной Все сетевые компьютеры присоединяются

напрямую к шине На концах кабеля-шины устанавливаются специальные

заглушки - терминаторы (terminator) Они необходимы для того чтобы

погасить сигнал после прохождения по шине К недостаткам топологии

Шина следует отнести следующее

данные предаваемые по кабелю доступны всем подключенным

компьютерам

в случае повреждения шины вся сеть перестает функционировать

Топология laquoКольцоraquo

Топология Кольцо

Для топологии кольцо характерно отсутствие конечных точек соединения

сеть замкнута образуя неразрывное кольцо по которому передаются данные

Эта топология подразумевает следующий механизм передачи данные

передаются последовательно от одного компьютера к другому пока не

- 32 -

достигнут компьютера-получателя Недостатки топологии кольцо те же то

и у топологии шина

общедоступность данных

неустойчивость к повреждениям кабельной системы

Топология laquoЗвездаraquo

Топология Звезда

В сети с топологией звезда все компьютеры соединены со специальным

устройством называемым сетевым концентратором или хабом (hub)

который выполняет функции распределения данных Прямые соединения

двух компьютеров в сети отсутствуют Благодаря этому имеется

возможность решения проблемы общедоступности данных а также

повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы Однако

функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора

Физическая и логическая топологии

Следует отметить что термин топология может употребляться для

обозначения двух понятий ndash физической топологии и логической топологии

Физическая топология ndash способ физического соединения компьютеров с

помощью среды передачи например участками кабеля Логическая

топология определяет маршруты передачи данных в сети Во многих

случаях физическая топология однозначно определяет логическую

топологию Однако существуют такие конфигурации в которых логическая

топология отличается от физической Например сеть с физической

- 33 -

топологией laquoзвездаraquo может иметь логическую топологию laquoшинаraquo ndash все

зависит от того каким образом устроен сетевой концентратор

Кодированиедекодирование данных Как известно данные обрабатываемые

компьютером представляются в двоичном виде - как последовательность

нулей и единиц Однако понятия нуль и единица являются логическими

понятиями обозначающими электрические сигналы отличающиеся друг от

друга физическими параметрами и использующиеся для представления

информации в различных устройствах например оперативной памяти или

центральном процессоре В силу различных технических причин эти сигналы

не всегда могут передаваться по физическим каналам связи Поэтому они

должны быть преобразованы Процесс преобразования сигналов удобных

для компьютера в сигналы которые могут быть переданы по сети

называется физическим кодированием а обратное преобразование -

декодированием

Передача сигналов Информационные сигналы передаются по физическим

линиям связи последовательно В случае если между передающей и

принимающей сторонами параллельно существуют более одной линии

например проложено несколько кабелей то оказывается возможным

одновременно (параллельно) передавать несколько сигналов Если эти

сигналы представляют различные биты передаваемых данных то

повышается скорость информационного обмена Если же сигналы

представляют один и тот же бит данных - то повышается надежность

взаимодействия

Канальный уровень

Канальный уровень отвечает за организацию передачи данных

между абонентами через физический уровень поэтому на данном

уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к общему физическому

каналу В функции данного уровня также входит упорядочивание

передачи с целью обеспечения возможности параллельного

использования одного физического канала несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем Большинство функций канального уровня

выполняются устройствами передачи данных (например сетевым

- 34 -

адаптером)

Метод коммутации

дной из центральных проблем организации передачи данных по физическим

каналам является проблема параллельного использования одного и того же

канала несколькими парами абонентов Методы лежащие в основе ее

решения получили название методов коммутации

В настоящее время существует два основных метода коммутации

коммутация каналов и коммутация пакетов

Коммутация каналов предполагает что перед началом передачи данных

должна быть выполнена процедура установления соединения в результате

которой образуется составной канал По окончании сеанса связи соединение

разрывается и канал освобождается Классическим примером реализации

коммутации каналов является телефонная связь которая подразумевает что

абонент перед началом разговора набирает номер второго абонента в

результате чего последовательное переключение промежуточных

коммутаторов позволяет образовать непрерывный канал связи между

абонентами Коммутация каналов удобна для организации линий связи в

которых подразумевается передача потоков данных постоянной

интенсивности например таких как телефонный разговор в силу чего этот

метод оказывается недостаточно гибким при построении компьютерных

сетей

Метод коммутации пакетов основан на разбиении передаваемых по сети

данных на небольшие порции Каждая такая порция передается по сети

как единое целое и называется пакетом Такой метод является очень

удобным для параллельного использования физического канала несколькими

парами абонентов канал является занятым только во время прохождения

пакета Временные промежутки между передачей пакетов одним абонентам

могут быть использованы другими для отправки собственных пакетов

Пакет обычно состоит из двух частей ndash заголовка содержащего служебные

данные необходимые для управления доставкой пакета и собственно

данных подлежащих передаче Порядок обмена пакетами а также

конкретный состав заголовка пакетов определяется сетевым протоколом

Для именования пакетов различных уровней модели OSI используются

специальные термины Для канального уровня используется термин кадр

для сетевого ndash пакет для транспортного ndash сегмент дейтаграмма для

сессионного и более высоких уровней ndash сообщение

- 35 -

Протоколы канального уровня

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена

способ представления информации а также необходимый набор правил

позволяющий упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток

битов Перед передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с

принципом пакетной коммутации разделяется на порции каждая из

которых снабжается заголовком содержащим некоторую служебную

информацию те формируется пакет На канальном уровне пакет называется

кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает

протокол Сложность канальных протоколов во многом определяется

сложностью топологии сети Очевидно что организовать общение всего двух

абонентов существенно проще чем упорядочивать информационный обмен в

сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких пар

абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Структура кадра данных

Состав заголовка кадра зависит от многих факторов определяемых набором

функций которые выполняет протокол Тем не менее можно выделить ряд

информационных полей которые обычно присутствуют в заголовке кадра К

таким полям относятся

1 Специальные поля предназначенные для определения границ кадров

Поскольку в физической среде могут постоянно проходить какие-либо

сигналы то сетевые адаптеры должны уметь разбираться в том когда

начинается передача кадра и когда она заканчивается

2 Поле предназначенное для определения протокола сетевого уровня

которому необходимо передать данные Так как на одном компьютере могут

функционировать программные модули различных протоколов сетевого

уровня то протоколы канального уровня должны уметь распределять данные

по этим протоколам

3 Контрольная сумма (или специальный код) содержимого кадра которая

позволяет принимающей стороне определить наличие ошибок в принятых

данных Принцип ее использования состоит в следующем Сетевой адаптер

отправляющего компьютера после формирования кадра вычисляет значение

- 36 -

его контрольной суммы на основе содержимого и помещает это значение в

заголовок кадра Принимающая сторона также вычисляет контрольную

сумму полученного кадра и сравнивает его со значением помещенным в

заголовке Если они не совпадают то это означает что во время передачи

кадра произошла ошибка

4 Поля предназначенные для адресации абонентов в сложных сетях

(определены для протоколов применяемых в сетях базирующихся на

сложных топологиях)

Обобщенная структура кадра данных

Протоколы для сетей сложных топологий

Протоколы канального уровня этой группы являются более сложными чем

протоколы использующиеся в сетях типа точка-точка так как вынуждены

выполнять ряд дополнительных функций Основными функциями являются

Выделение на всем множестве компьютеров подключенных к сети

конкретного абонента с которым осуществляется информационный обмен

то есть адресация

Адресация абонентов

Упорядочивание доступа к среде передачи в случае когда нескольким парам

абонентов требуется осуществить передачу данных

Для обеспечения адресации абонентов в заголовке кадров должны

присутствовать следующие поля

- 37 -

1 Адрес отправителя ndash некоторое число (или набор чисел) позволяющее

идентифицировать сетевой адаптер (а следовательно и компьютер в

котором она установлена) который осуществил передачу кадра данных в

сеть Адреса присваиваются сетевым адаптерам на заводе-изготовителе и

как правило не изменяются в дальнейшем хотя большинство современных

адаптеров позволяют перепрограммировать сетевой адрес

Протоколы канального уровня и сетевые технологии

Функциональный состав того или иного протокола канального уровня во

многом определяется особенностями физического уровня например

топологией сети или типом среды передачи Поэтому при проектировании

сетевого взаимодействия используются и разрабатываются комплексные

стандарты получившие название сетевых технологий

Сетевая технология ndash это набор стандартов определяющий минимальный

состав программно-аппаратных средств достаточный для организации

взаимодействия компьютеров в сети Как правило сетевая технология

определяет топологию сети а также протокол канального уровня (формат

кадра порядок обмена кадрами MTU)

В настоящее время существует большое количество сетевых технологий и

соответственно определяемых ими протоколов канального уровня

Рассмотрим для примера одну из наиболее популярных в настоящее время

технологий ndash технологию локальных сетей Ethernet Эта технология

предполагает что сеть должна строиться на основе физических топологий

шина если используется коаксиальный кабель или звезда если

используется кабель типа витая пара В зависимости от типа используемого

кабеля скорость передачи данных лежит в диапазоне 10-100 Мбитс В

качестве метода доступа к среде передачи используется метод обнаружения

коллизий (CSMACD) Что касается формата кадра то в настоящее время на

практике используются 4 варианта кадров Ethernet отличающихся друг от

друга но все они согласуются с общими положениями изложенными ранее

Максимальный объем данных передаваемых в одном кадре (MTU) в

технологии Ethernet не может превышать 1500 байт

Помимо технологии Ethernet в настоящее время в локальных сетях широко

используются технологии AppleTalk FDDI и ATM В глобальных сетях

широко распространены технологии ATM FrameRelay ISDN и SMDS

Существует также ряд технологий использующихся для организации

беспроводных сетей Наиболее популярной технологией применяемой при

- 38 -

построении локальных сетей в настоящее время является технология

RadioEthernet Она предполагает передачу данных в двух УКВ-диапазонах

около 915 МГЦ и 2400-24835 МГц а также в инфракрасном спектре

Диапазон 915 МГц в России и Европе достаточно сильно загружен

средствами связи (сотовая телефония) поэтому он используется как

правило для организации сетей внутри зданий хотя технически позволяет

осуществлять передачу на значительные расстояния Это же ограничение

распространяется и на инфракрасный диапазон поскольку инфракрасные

лучи чувствительны к погодным условиям В зависимости от того какой

режим передачи используется сети RadioEthernet позволяют осуществлять

передачу данных со скоростью 2 - 10 Мбитс Технология RadioEthernet

предполагает построение сетей на базе топологий точка-точка и звезда В

качестве метода доступа используется метод предупреждения коллизий

(CSMACA)

Наряду с кабельными и беспроводными технологиями существуют также

технологии предполагающие комбинирование различных типов физической

среды передачи Обычно они применяются для построения асимметричных

сетей небольшие по объему запросы пользовательских компьютеров

передаются по кабельным каналам например с использованием телефонных

линий и модемов а прием осуществляется через спутниковый радиоканал

Объединение сетей на канальном уровне

Сложные сети в общем случае представляют собой совокупность

нескольких сетей Такие сети называются объединенными сетями

(internetwork)

Необходимость объединения сетей может быть вызвана разными причинами

Прежде всего это - преодоление технических ограничений среды передачи

например максимального расстояния передачи данных Кроме того

построение сети как объединенной позволяет повысить надежность (выход

из строя одной физической среды не влияет на работу остальных) и

обеспечить определенный уровень конфиденциальности (данные

передаваемые между компьютерами одной физической среды оказываются

недоступными компьютерам других сетей)

Для построения объединенных сетей требуются специальные устройства

которые позволяют подключать к себе две (или более) сети Наиболее

простым устройством такого вида является мост (bridge)

Мост

- 39 -

Принцип функционирования моста достаточно прост для подключения сетей

мост располагает несколькими портами с каждым из которых связываются

записи так называемой адресной таблицы содержащей список адресов

компьютеров сетей подключенных к мосту Когда мост получает кадр

данных то он передает его в сеть через порт который согласно таблице

соответствует адресу получателя В случае если адрес получателя не

обнаружен в адресной таблице то кадр передается во все сети Адресные

таблицы мостов как правило строятся на основе анализа кадров

передаваемых по сетям

Функции сетевого уровня

Сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе

различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне

достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети

но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети

с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это

объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

адресации определенных различными технологиями Поэтому для

обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства

представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую

абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых

технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого

уровня модели OSI

Очевидно что устройства этого уровня предназначенные для объединения

сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального

уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную

передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть

определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку

составной сети Процесс определения пути прохождения данных через

подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства

объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название

маршрутизаторов

- 40 -

Протокол IP

Протокол IP (Internet Protocol) входит в состав стека протоколов TCPIP и

является основным протоколом сетевого уровня использующимся в

Интернет и обеспечивающим единую схему логической адресации устройств

в сети и маршрутизацию данных

Для выполнения своих функций протокол определяет свой собственный

формат пакета Основными информационными полями заголовка пакета

являются

IP-адреса отправителя и получателя ndash предназначены для

идентификации отправителя и получателя (см IP-адресация)

Время жизни пакета (Time To Live TTL) - определяет время которое

IP-пакет может находиться в сети и предназначено для

предотвращения захламления сети заблудившимися пакетами

поля предназначенные для фрагментации пакетов (см IP-

фрагментация)

поля предназначенные для управления обработкой пакета (длина

пакета и заголовка контрольная сумма заголовка тип обслуживания и

тд)

Существует 5 классов IP-адресов ndash A B C D E Принадлежность IP-

адреса к тому или иному классу определяется значением первого

октета (W) Ниже показано соответствие значений первого октета и

классов адресов

Класс IP-адреса A B C D E

Диапазон первого

октета

1-

126

128-

191

192-

223

224-

239

240-

247

IP-адреса первых трех классов предназначены для адресации

отдельных узлов и отдельных сетей Такие адреса состоят из двух

частей ndash номера сети и номера узла Такая схема аналогична схеме

почтовых индексов ndash первые три цифры кодируют регион а остальные

ndash почтовое отделение внутри региона

Преимущества двухуровневой схемы очевидны она позволяет во-

первых адресовать целиком отдельные сети внутри составной сети

что необходимо для обеспечения маршрутизации а во-вторых ndash

присваивать узлам номера внутри одной сети независимо от других

сетей Естественно что компьютеры входящие в одну и ту же сеть

должны иметь IP-адреса с одинаковым номером сети

- 41 -

IP-Маршрутизация ndash процесс выбора пути для передачи пакета в сети Под

путем (маршрутом) понимается последовательность маршрутизаторов через

которые проходит пакет по пути к узлу-назначению IP-маршрутизатор ndash это

специальное устройство предназначенное для объединения сетей и

обеспечивающее определение пути прохождения пакетов в составной сети

Маршрутизатор должен иметь несколько IP-адресов с номерами сетей

соответствующими номерам объединяемых сетей

Как известно для разных сетевых технологий значение MTU определенное

для кадров данных может отличаться Поэтому при преобразовании кадров

на маршрутизаторе может потребоваться разделение вложенных в них IP-

пакетов на более мелкие пакеты

Для разделения пакетов на фрагменты модуль IP установленный на

маршрутизаторе создает на его основе некоторое число новых пакетов (в

соответствии с длиной исходного пакета и значения MTU для сети куда

должны быть переданы данные) Для того чтобы данные могли быть

правильно собраны получателем в заголовки новых IP-пакетов помещается

специальный числовой идентификатор позволяющий однозначно

определить что эти пакеты являются фрагментами одного большого пакета

Кроме того в заголовках также указывается положения фрагментов в

исходном пакете что позволяет обеспечить правильный порядок сборки

получателем

Вспомогательные протоколы сетевого уровня стека TCPIP

Главными функциями протокола IP является обеспечение единой схемы

адресации независимой от принципов адресации определяемых сетевыми

технологиями (адресацией канального уровня) а также передача данных по

составной сети (маршрутизация и фрагментация пакетов) Однако для

организации реального взаимодействия этого оказывается недостаточно -

существует еще ряд проблем

Первая проблема состоит в следующем Для того чтобы передать данные по

сети программное обеспечение протокола IP создает пакет и передает его

средствам канального уровня При этом средствам канального уровня для

формирования кадра данных необходим адрес получателя причем не

логический IP-адрес а MAC-адрес который может быть правильно опознан

сетевым адаптером принимающего компьютера Однако спецификацией

протокола IP не предусмотрен механизм позволяющий определять

соответствие между аппаратными и IP-адресами Эту функцию выполняет

вспомогательный протокол сетевого уровня ARP (Address Resolution

Protocol) входящий в семейство протоколов TCPIP

- 42 -

Другая серьезная проблема состоит в том что если при обработке IP-пакета

на маршрутизаторе возникли какие-то проблемы например истекло время

жизни пакета то отправитель о них не узнает поскольку механизм

обратной связи также не предусмотрен спецификацией протокола IP Для

решения этой проблемы используется специальный протокол сетевого

уровня ICMP (Internet Control Message Protocol) входящий в стек протоколов

TCPIP и обеспечивающий передачу управляющей информации и

информации об ошибках

В семействе протоколов TCPIP предусмотрен также ряд других

вспомогательных протоколов например протоколы динамической

маршрутизации обеспечивающие обмен информацией между

маршрутизаторами с целью автоматизации построения таблиц

маршрутизации

Транспортный уровень

Функции транспортного уровня

Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных между

устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд)

Однако не следует забывать что на одном узле может функционировать

параллельно несколько программ которым требуется доступ к сети

Следовательно данные внутри компьютерной системы должны

распределяться между программами Поэтому при передаче данных по сети

недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо также

идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является

отсутствие средств позволяющих передавать большие массивы данных

Когда исходные данные превышают максимально допустимый размер пакета

сетевого уровня то эти данные должны быть разбиты на порции каждая из

которых передается в сеть отдельным пакетом Однако каждый пакет

сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других блок

данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и

следовательно ndash обнаружить нарушение целостности общего массива

данных Поэтому средства транспортного уровня обеспечивают отсутствие

потерь информации Такой режим передачи данных получил название

гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой

- 43 -

функциональную надстройку над сетевым уровнем и решают две основных

задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

обеспечение гарантированной доставки массивов данных

произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash

UDP обеспечивающий негарантированную доставку данных между

программами и TCP обеспечивающий гарантированную доставку с

установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной

уровень

Компоненты четырех нижних уровней модели OSI (физического канального

сетевого и транспортного) представляют собой механизм обеспечивающий

доставку данных любого типа и произвольного объема между программами

работающими на разных узлах составной сети Однако при работе в сети

пользователям требуется не просто пересылка данных а выполнение каких-

либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех

возможностей которые предоставляют средства нижних уровней

недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо

просмотреть документ расположенный не на его локальном компьютере а

на удаленной машине Решение такой задачи предполагает как минимум

прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса

содержащего имя документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного

компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной

машины изменений вносимых в этот документ другими пользователями и

уведомление об этом пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав

пользователя на работу с документом что предполагает дополнительный

- 44 -

обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних

уровней не имеют средств позволяющих реализовать специфику такого

взаимодействия Поэтому для его организации требуются дополнительные

надстройки над средствами транспортного и нижележащих уровней В

эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный уровень

уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или

сессии) при длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое

(виртуальное) соединение между двумя программами в общем случае

функционирующими на разных компьютерах В простейшем случае

установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти

необходимых для приема и передачи данных После окончания передачи

данных происходит закрытие соединения предполагающее освобождение

выделенных ресурсов Во многих случаях этого недостаточно поэтому

сессионный уровень предлагает более сложные механизмы для организации

сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая

поддержка осуществляется путем периодической отправки специальных

тестовых пакетов при получении которых участник соединения должен

ответить Возвращаясь к предложенному выше примеру следует отметить

что установление соединения при работе с удаленным документом позволяет

один раз перед началом работы проверить права доступа пользователя а

также один раз передать запрос с именем файла В случае если бы

соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог

бы уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться

дополнительное преобразование Например это необходимо в случае если

взаимодействующие программы используют различные способы кодировки

текстовой информации или если для обеспечения защиты информации

требуется осуществлять шифрование данных Обеспечение подобных

промежуточных преобразований возложено на уровень представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными

уровнями Они позволяют осуществлять работу с различными

информационными ресурсами сети например файлами или сообщениями

электронной почты Естественно что различные типы ресурсов в общем

случае требуют различных методов обработки и в том числе методов

сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI

- 45 -

является прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции

работы с конкретными информационными объектами В предложенном выше

примере (чтение удаленного документа) к функциям прикладного протокола

относятся формирование запросов на получение документа проверка прав

доступа а также определение порядка пересылки файлов и уведомлений об

изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами

определяемых протоколами прикладного уровня часть функций сессионного

уровня и уровня представления может оказаться избыточной поэтому при

программной реализации три верхних уровня обычно объединяются

Page 4: - 3 - ВВЕДЕНИЕicm.muctr.ru/study/computers/inf001.pdf · 2016-08-25 · - 7 - А) Количество информации как мера уменьшения неопределенности

- 6 -

этот ряд можно продолжить магнитные покрытия (лента диски

цилиндры и тд) жидкие кристаллы оптические носители

полупроводники и тд

В этот период накопление знаний происходит достаточно медленно и

обусловлено трудностями связанными с доступом к информации

(Хранение в виде рукописных изданий в единичных экземплярах

доступ к которым был существенно затруднен) Этот барьер был

разрушен на следующем этапе

Начало третьего этапа датируется 1445 годом когда Иоганн Гутенберг

изобрел печатный станок Появление книг открыло доступ к

информации широкому кругу людей и резко ускорило темпы

накопления систематизированных по отраслям знаний С этого

момента началось необратимое поступательное движение

технологической цивилизации Книгопечатание - это первая

информационная революция

Четвертый этап развития информационной технологии начинается в

1946 году с появлением машины для обработки информации Этой

машиной является первая ЭВМ (типа ENIAC) запущенная в

эксплуатацию в Пенсильванском университете

Пятый этап развития информационной технологии наступил в 1982 году

после публикации эталонной модели взаимодействия открытых систем ISO

- ЭМ ВОС

13 Представление информации в компьютере Системы счисления

14Измерение количества информации ndash два подхода

Вопрос ―как измерить информацию Ответ на него зависит от того что

понимать под информацией Но поскольку определить информацию можно по-

разному то и способы измерения тоже могут быть разными

Под информацией в быту (житейский аспект) понимают сведения об

окружающем мире и протекающих в нем процессах воспринимаемые человеком или

специальными устройствами

Под информацией в технике понимают сообщения передаваемые в форме

знаков или сигналов

Под информацией в теории информации понимают не любые сведения а

лишь те которые снимают полностью или уменьшают существующую до их

получения неопределенность По определению К Шеннона информация ndash это

снятая неопределенность

Как же оценить количество информации

- 7 -

А) Количество информации как мера уменьшения неопределенности

знаний Единицы измерения количества информации

Формула Шеннона

Количество информации как мера уменьшения неопределенности знаний Информацию которую получает человек можно считать мерой уменьшения неопределенности знаний Если некоторое сообщение приводит к уменьшению неопределенности наших знаний то можно говорить что такое сообщение содержит информацию Сообщения обычно содержат информацию о каких-либо событиях Количество информации для событий с различными вероятностями определяется по формуле которую предложил КШеннон в 1948 году

где I - количество информации N - количество возможных событий pi - вероятности отдельных событий Если события равновероятны то количество информации определяется по формуле

- 8 -

или из показательного уравнения N = 2I

Единицы измерения количества информации За единицу количества информации принят 1 бит - количество информации содержащееся в сообщении уменьшающем неопределенность знаний в два раза Принята следующая система единиц измерения количества информации 1байт=8бит 1Кбайт=210байт 1Мбайт=210Кбайт=220байт 1Гбайт=210Мбайт=20Кбайт=230байт Пример После экзамена по информатике который сдавали ваши друзья объявляются оценки (2 3 4 или 5) Какое количество информации будет нести сообщение об оценке учащегося A который выучил лишь половину билетов и сообщение об оценке учащегося B который выучил все билеты Опыт показывает что для учащегося A все четыре оценки (события) равновероятны и тогда количество информации которое несет сообщение об оценке можно вычислить по формуле 22 I=log24=2бит На основании опыта можно также предположить что для учащегося B наиболее вероятной оценкой является 5 (p1 = 12) вероятность оценки 4 в два раза меньше (p2 = 14) а вероятности оценок 2 и 3 еще в два раза меньше (p3 = p4 = 18) Так как события неравновероятны воспользуемся для подсчета количества информации в сообщении формулой 21 I = -(12middotlog212 + 14middotlog214 + 18middotlog218 + 18middotlog218) бит = 175 бит Вычисления показали что при равновероятных событиях мы получаем большее количество информации чем при неравновероятных событиях

Алфавитный подход к измерению информации позволяет определить

количество информации заключенной тексте Алфавитный подход является

объективным те он не зависит от субъекта (человека) воспринимающего текст

Множество символов используемых при записи текста называется алфавитом

Полное количество символов в алфавите называется мощностью (размером)

алфавита Если допустить что все символы алфавита встречаются в тексте с

- 9 -

одинаковой частотой (равновероятно) то количество информации которое несет

каждый символ вычисляется по формуле

i = log2N где N mdash мощность алфавита Следовательно в 2-х

символьном алфавите каждый символ ―весит 1 бит (log22 = 1) в 4-х символьном

алфавите каждый символ несет 2 бита информации (log24 = 2) в 8-ми символьном mdash

3 бита (log2= 3) и тд Один символ из алфавита мощностью 256 (28) несет в тексте 8

бит информации Такое количество информации называется байт Алфавит из 256

символов используется для представления текстов в компьютере 1 байт = 8 бит

Если весь текст состоит из К символов то при алфавитном подходе размер

содержащейся в нем информации равен

I = К х i где i mdash информационный вес одного символа в используемом

алфавите

Информационный объем сообщения (информационная емкость

сообщения) ndash количество информации в сообщении измеренное в битах байтах или

производных единицах (Кбайтах Мбайтах и т д) Пример 1 Книга набранная с

помощью компьютера содержит 150 страниц на каждой странице mdash 40 строк b в

каждой строке mdash 60 символов Каков объем информации в книге

Решение Мощность компьютерного алфавита равна 256 Один символ несет 1 байт

информации Значит страница содержит 40 х 60 = 2400 байт информации Объем

всей информации в книге (в разных единицах)2400 х 150 == 360 000 байт

3600001024 = 3515625 Кбайт 35156251024 = 034332275 Мбайт

- 10 -

Глава 2 АРХИТЕКТУРА ЭВМ

21 История развития средств вычислительной техники ndash пять

поколений ЭВМ

22 Блок- схема ЭВМ (блок-схема по Нейману)

23 Блок- схема ПК Принцип открытой архитектуры

24 Характеристики вычислительных систем

25 Центральный процессор и микропроцессор

26 Системная плата

27 Внутренняя и внешняя память

210 Устройства ввода-вывода данных

Структура ЭВМ фон Неймана

Код

операции

Признаки

Команды

Операнды

Результаты

Исходные

данные

Программа

УВВ

ОЗУ

ВЗУ

АЛУ

УУ

Результаты

Адреса

- 11 -

bull Принципы Джон фон Неймана 1) принцип программного управления (программа состоит из набора команд которые выполняются процессором друг за другом в определенной последовательности) 2) принцип однородности памяти (программы и данные хранятся в одной и той же памяти) 3) принцип адресности (ОП состоит из пронумерованных ячеек и процессору в любой момент времени доступна любая ячейка)

- 12 -

Поколения ЭВМ

1На основе электронных ламп

2На основе электронных ламп и

дискретных транзисторных

логических элементов

3Семейства машин с единой

архитектурой

интегральные схемы

4Проектировались в расчете на

эффективное использование

современных высокоуровневых

языков

Поколения ЭВМ

1На основе электронных ламп

2На основе электронных ламп и

дискретных транзисторных

логических элементов

3Семейства машин с единой

архитектурой

интегральные схемы

4Проектировались в расчете на

эффективное использование

современных высокоуровневых

языков

- 13 -

Т

Основы построения ЭВМ

bull Принципы функционирования

универсальных вычислительных

устройств

bull 1 Принцип программного управления

bull 2 Принцип однородности памяти

bull 3 Принцип адресности

Поколения ЭВМ

- 14 -

Языки

сверхвысокого

Уровня

Сенсорные

Устройства

Оптические

диски

ДоскаСверхбольшие

Интегральные

схемы

90-нв5

Языки высокого

уровня

Интерактивные

устройства

ВинчестерыСтолБольшие

интеграль

ные

схемы

(БИС)

70ndash804

Алгоритмические

языки

ДисплеиМагнитные

диски

ШкафИнтегральные

схемы (ИС)

60ndash703

Автокоды

(ассемблер)

ТелетайпыМагнитные

ленты

КомнатаТранзисторы50ndash602

Машинные

языки

ПерфораторыМагнитный

барабан

Машинный

зал

Лампы40ndash501

ЯзыкиInoutНакопителиГабаритыЭлементыГодыПоколение

Глава 3 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

31 Развитие программного обеспечения

32Состав Microsoft Office

33 История языков программирования

Microsoft Word (часто mdash MS Word WinWord или просто Word) mdash это текстовый

процессор предназначенный для создания просмотра и редактирования текстовых

документов с локальным применением простейших форм таблично-матричных

алгоритмов Текстовый процессор выпускается корпорацией Microsoft в составе

пакета Microsoft Office Первая версия была написана Ричардом Броди (Richard

Brodie) для IBM PC использующих DOS в 1983 году Позднее выпускались версии

для Apple Macintosh (1984) SCO UNIX и Microsoft Windows (1989)

Microsoft Word многим обязан Bravo mdash текстовому процессору с оригинальным

графическим интерфейсом разработанному в исследовательском центре laquoXerox

PARCraquo Создатель Bravo Чарльз Симони (Charles Simonyi) покинул PARC в 1981

году Тем же летом Симони переманил Броди с которым вместе работал над Bravo

Первый выпуск Word для MS-DOS состоялся в конце 1983 года Он был плохо принят

рынком продажи снижало наличие конкурирующего продукта mdash WordPerfect

Однако версия для Макинтоша выпущенная в 1985 году получила широкое

распространение Через два года laquoWord 301 для Macintoshraquo усилил позиции (версия 30

изобиловала ошибками и быстро была заменена) Как и прочее программное обеспечение

для Макинтоша Word был полностью WYSIWYG-редактором (принцип laquoWhat You See Is

What You Getraquo mdash laquoполучаю то что вижуraquo)

- 15 -

Хотя MS-DOS и являлась текстовой операционной системой лишѐнной графической

оболочки Word для DOS был первым текстовым процессором для IBM PC который был

способен отображать разметку текста например полужирный или курсивный текст в

процессе редактирования Однако он всѐ же не являлся в полном смысле WYSIWYG-

редактором Другие же текстовые процессоры такие как WordStar и WordPerfect

использовали простой текстовый экран с кодами разметки иногда текст был цветным

Однако поскольку в большинстве программного обеспечения под DOS применялись

собственные труднозапоминаемые комбинации laquoгорячих клавишraquo для каждой команды

(например в Wordrsquoе для DOS сохранение файла выполнялось по комбинации ESC-T-S) и

большинство секретарей умели пользоваться только WordPerfect компании весьма

неохотно переходили на конкурирующие с ним продукты имеющие сравнительно

небольшие преимущества

Первая версия Word для Windows выпущенная в 1989 году продавалась по цене 500

долларов США Она демонстрировала выбранный компанией Майкрософт путь развития

как и сама Windows она многое взяла от Macintosh и использовала стандартные

клавиатурные сокращения (например CTRL-S для сохранения файла) После выпуска в

следующем году Windows 30 продажи поползли вверх (Word 10 гораздо лучше работал с

Windows 30 чем с более старыми версиями Windows386 и Windows286) главный

конкурент mdash WordPerfect mdash не смог выпустить рабочую версию под Windows что

оказалось для него смертельной ошибкой Версия 20 утвердила WinWord на позиции

лидера рынка

У Word для Macintosh никогда не было серьѐзных конкурентов даже несмотря на наличие

программ вроде Nisus предоставлявшую возможность выделения нескольких несвязных

кусков текста (появившуюся только в Word 2002 из Office XP) и несмотря на мнение

многих пользователей об отсутствии кардинальных различий между версиями 301

выпущенной в 1987 году и версией 50 выпущенной в 1991 Однако версия 60 для

Macintosh вышедшая в 1994 году была многими воспринята довольно скептически Это

была первая версия без значительных отличий в коде ядра между версиями под Windows и

под Mac Версия под Windows следовавшая за 20 была пронумерована как 60 для

координации названия версий под разные платформы

Последовавшие версии добавляли возможности выходящие за рамки простого текстового

процессора Инструменты рисования позволяли выполнять примитивные операции

вѐрстки такие как добавление графики в документ хотя естественно

специализированные программы для вѐрстки лучше справляются с этими задачами

Внедрение объектов сравнение версий документа мультиязычная поддержка и многие

другие возможности были добавлены за последовавшие несколько лет

Microsoft Word является наиболее популярным из используемых в данный момент

текстовых процессоров что сделало его бинарный формат документа стандартом де-

факто и многие конкурирующие программы имеют поддержку совместимости с данным

форматом Расширение laquodocraquo на платформе IBM PC стало синонимом двоичного формата

Word 97mdash2000 Фильтры экспорта и импорта в данный формат присутствуют в

большинстве текстовых процессоровФормат документа разных версий Word меняется

различия бывают довольно тонкими Форматирование нормально выглядящее в

последней версии может не отображаться в старых версиях программы однако есть

ограниченная возможность сохранения документа с потерей части форматирования для

открытия в старых версиях продукта Последняя версия MS Word 2007 использует по

умолчанию формат основанный на XML - Microsoft Office Open XML Спецификация

- 16 -

форматов файлов Word 97-2007 были опубликован Microsoft в 2008 году[1][2]

Ранее

большая часть информации нужной для работы с данным форматом добывалась

посредством обратного инжиниринга поскольку основная еѐ часть отсутствовала в

открытом доступе или была доступна лишь ограниченному числу партнеров и

контролирующих организаций

Как и прочие приложения из Microsoft Office Word может расширять свои возможности

посредством использования встроенного макроязыка (сначала использовался WordBasic с

версии Word 97 применяется VBA mdash Visual Basic для приложений) Однако это

предоставляет широкие возможности для написания встраиваемых в документы вирусов

(так называемые laquoмакровирусыraquo) Наиболее ярким примером была эпидемия червя

Melissa В связи с этим многие считают разумной рекомендацию всегда выставлять

наивысший уровень настроек безопасности при использовании Word (Меню

laquoToolsgtMacrogtSecurityraquo laquoСервисgtМакросgtБезопасностьhellipraquo в локализованных русских

версиях) Также нелишним будет использовать антивирусное программное обеспечение

Первым вирусом заражавшим документы Microsoft Word был DMV созданный в декабре

1994 года Дж МакНамарой для демонстрации возможности создания макровирусов

Первым же вирусом попавшим в дикую природу и вызвавшим первую в мире

эпидемию макровирусов (это произошло в июле-августе 1995 г) был Concept

12 августа 2009 года суд штата Техас запретил продажу программы Word на территории

США в связи с тем что Microsoft незаконно использует метод чтения XML-файлов

патент на который принадлежит канадской компании i4i [3]

В 1982 году Microsoft запустила на рынок первый электронный табличный процессор

Multiplan который был очень популярен на CPM системах но на MS-DOS системах он

уступал Lotus 1-2-3 Первая версия Excel предназначалась для Mac и была выпущена в

1985 году а первая версия для Windows была выпущена в ноябре 1987 года Lotus не

торопилась выпускать 1-2-3 под Windows и Excel с 1988 года начала обходить по

продажам 1-2-3 что в конечном итоге помогло Microsoft достичь позиций ведущего

разработчика программного обеспечения Microsoft укрепляла свое преимущество с

выпуском каждой новой версии что имело место примерно каждые два года Текущая

версия для платформы Windows mdash Excel 12 также известная как Microsoft Office Excel

2007 Текущая версия для платформы Mac OS X mdash Microsoft Excel 2008

В начале своего пути Excel стал причиной иска о товарном знаке от другой компании уже

продававшей пакет программ под названием laquoExcelraquo В результате спора Microsoft был

обязана использовать название laquoMicrosoft Excelraquo во всех своих официальных пресс-

релизах и юридических документах Однако со временем эта практика была позабыта и

Microsoft окончательно устранила проблему приобретя товарный знак другой программы

Microsoft также решила использовать буквы XL как сокращенное название программы

иконка Windows-программы состоит из стилизованного изображения этих двух букв а

расширение файлов по умолчанию в Excel mdash xls В сравнении с первыми табличными

процессорами Excel представляет множество новых функций пользовательского

интерфейса но суть остается прежней как и в программе-родоначальнике VisiCalc

ячейки расставляются в строки и столбцы и могут содержать данные или формулы с

относительными или абсолютными ссылками на другие клетки

Excel был первым табличным процессором позволявшим пользователю менять внешний

вид таблицы (шрифты символы и внешний вид ячеек) Он также первым представил

метод умного пересчета ячеек когда обновляются только те ячейки которые зависят от

- 17 -

измененных ячеек (раньше табличные процессоры либо постоянно пересчитывали все

ячейки или ждали команды пользователя)

Будучи впервые объединенными в Microsoft Office в 1993 году Microsoft Word и Microsoft

PowerPoint получили новый графический интерфейс для соответствия Excel главного

стимула модернизации ПК в то время

Начиная с 1993 года в состав Excel входит Visual Basic для приложений (VBA) язык

программирования основанный на Visual Basic позволяющий автоматизировать задачи

Excel VBA является мощным дополнением к приложению и в более поздних версиях

Excel доступна полнофункциональная интегрированная среда разработки Можно создать

VBA-код повторяющий действия пользователя и таким образом автоматизировать

простые задачи VBA позволяет создавать формы для общения с пользователем Язык

поддерживает использование (но не создание) DLL от ActiveX более поздние версии

позволяют использовать элементы объектно-ориентированного программирования

Функциональность VBA делала Excel легкой мишенью для макровирусов И это было

серьезной проблемой до тех пор пока антивирусные продукты не научились

обнаруживать их Фирма Microsoft с опозданием приняв меры для уменьшения риска

добавила возможность выбора режима безопасности

Идея PowerPoint появилась у Боба Гаскинса (Bob Gaskins) студента университета Беркли

который решил что наступает век графических интерактивных материалов В 1984 году

Гаскинс присоединился к провальной компании Forethought и нанял разработчика

Денниса Остина (Dennis Austin) Боб и Деннис объединили усилия и создали программу

Presenter Деннис создал оригинальную версию программы с Томом Рудкиным (Tom

Rudkin) Позже Боб решил сменить имя на PowerPoint которое и стало названием

конечного продукта

В 1987 году вышел PowerPoint 10 для Apple Macintosh Он работал в черно-белом цвете

Вскоре появились цветные Macintosh и новая версия PowerPoint не заставила себя ждать

Программное руководство с первой редакцией было уникально Это была книга синего

цвета в твердом переплете Компания Forethought считала что это лучше чем куча

исполняемых файлов помощи на компьютере и инструкций в электронном виде Но

обновление инструкции было необоснованно дорого Идея с подобными книгами была

вскоре заброшена

Позже в 1987 году Forethought и ее продукт были куплены Microsoft за 14 млн $ В 1990

году вышла версия для Windows C 1990 года PowerPoint стал стандартом в наборе

программ Microsoft Office

В 2002 году вышла версия PowerPoint которая не только была включена в пакет Microsoft

Office XP но также распространялась как отдельный продукт В нем появились такие

функции как сравнение и смешение изменений в презентации возможность задавать пути

анимации для индивидуальных форм создание пирамидальных радиальных и целевых

диаграмм а также кругов Эйлера панель задач для просмотра и выбора объектов буфера

обмена защита презентации паролем автоматическая генерация фотоальбома а также

―умные теги для быстрого выбора формата текста скопированного в презентацию

Microsoft PowerPoint 2003 не сильно отличается от предшественника Он увеличивает

эффективность работы в группе и теперь имеет возможность создания ―Пакета для CD

- 18 -

который легко позволяет скопировать презентацию с мультимедийным содержанием и

просмотрщик на компакт диск

Текущая версия Power Point 2007 привносит основные изменения в интерфейс программы

и увеличивает графические возможности

PowerPoint является частью Microsoft Office Это позволило PowerPoint стать наиболее

распространенной во всем мире программой для создания презентаций Файлы

презентаций PowerPoint часто пересылаются пользователями программы на другие

компьютеры что означает необходимую совместимость с ними программ конкурентов

Однако поскольку Power Point имеет возможность подключения элементов других

приложений через OLE некоторые презентации становятся сильно привязанными к

платформе Windows что делает невозможным открытие данных файлов например в

версии для Mac OS Это привело к переходу на открытые стандарты такие как PDF и

OASIS OpenDocument

Глава 4 АЛГОРИТМИЗАЦИЯ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

41 Структурный подход к разработке алгоритмов и программ

42 Основные структуры и операторы VBA

43 Примеры на VBA

- 19 -

Глава 5ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ

Компьютерные сети

Понятие компьютерной сети

Компьютерная сеть (Computer Network) ndash это множество компьютеров соединенных

линиями связи и работающих под управлением специального программного обеспечения

Под линией связи обычно понимают совокупность технических устройств и

физической среды обеспечивающих передачу сигналов от передатчика к приемнику В

реальной жизни примерами линий связи могут служить участки кабеля и усилители

обеспечивающие передачу сигналов между коммутаторами телефонной сети На основе

линий связи строятся каналы связи

Каналом связи обычно называют систему технических устройств и линий связи

обеспечивающую передачу информации между абонентами Соотношение между

понятиями канал и линия описывается следующим образом канал связи может

включать в себя несколько разнородных линий связи а одна линия связи может

использоваться несколькими каналами

Главной целью объединения компьютеров в сеть является предоставление пользователям

возможности доступа к различным информационным ресурсам (например документам

программам базам данных и тд) распределенным по этим компьютерам и их

совместного использования

Важной характеристикой любой компьютерной сети является широта территории

которую она охватывает Широта охвата определятся взаимной удаленностью

компьютеров составляющих сеть и следовательно влияет на технологические решения

выбираемые при построении сети Классически выделяют два типа сетей локальные сети

и глобальные сети

К локальным сетям (Local Area Network LAN) обычно относят сети компьютеры

которых сосредоточены на относительно небольших территориях (как правило в радиусе

до 1-2 км) Классическим примером локальных сетей является сеть одного предприятия

расположенного в одном или нескольких стоящих рядом зданиях Небольшой размер

локальных сетей позволяет использовать для их построения достаточно дорогие и

высококачественные технологии что обеспечивает высокую скорость обмена

информацией между компьютерами

Глобальные сети (Wide Area Network WAN) ndash это сети предназначенные для

объединения отдельных компьютеров и локальных сетей расположенных на

значительном удалении (сотни и тысячи километров) друг от друга Поскольку

организация специализированных высококачественных каналов связи большой

протяженности является достаточно дорогой то в глобальных сетях нередко

используются уже существующие и изначально не предназначенные для построения

компьютерных сетей линии (например телефонные или телеграфные) В связи с этим

скорость передачи данных в таких сетях существенно ниже чем в локальных

Независимо от того какую территорию покрывает сеть какие технологические решения

лежат в основе ее организации существуют общие принципы сетевого взаимодействия

которым должно подчиняться функционирование сети Именно выработка таких общих

- 20 -

принципов способствовала в свое время появлению Интернет (Internet) как объединенной

сети (иногда даже используется термин гиперсеть) собравшей в своем составе

локальные городские и глобальные сети всей планеты

Модель сетевого взаимодействия

В 1984 году Международной Организацией по Стандартизации (International Standard

Organization ISO) была разработана модель взаимодействия открытых систем (Open

Systems Interconnection OSI) Модель представляет собой международный стандарт для

проектирования сетевых коммуникаций и предполагает уровневый подход к построению

сетей Каждый уровень модели обслуживает различные этапы процесса взаимодействия

Посредством деления на уровни сетевая модель OSI упрощает совместную работу

оборудования и программного обеспечения Модель OSI разделяет сетевые функции на

семь уровней прикладной уровень представления сессионный транспортный сетевой

канальный и физический

Физический уровень (Physical layer) определяет способ физического соединения

компьютеров в сети Функциями средств относящихся к данному уровню являются

побитовое преобразование цифровых данных в сигналы передаваемые по физической

среде (например по кабелю) а также собственно передача сигналов

Канальный уровень(Data Link layer) отвечает за организацию передачи данных между

абонентами через физический уровень поэтому на данном уровне предусмотрены

средства адресации позволяющие однозначно идентифицировать отправителя и

получателя во всем множестве абонентов подключенных к обще линии связи В функции

данного уровня также входит упорядочивание передачи с целью параллельного

использования одной линии связи несколькими парами абонентов Кроме того средства

канального уровня обеспечивают проверку ошибок которые могут возникать при

передаче данных физическим уровнем

Сетевой уровень(Network layer) обеспечивает доставку данных между компьютерами

сети представляющей собой объединение различных физических сетей Данный уровень

предполагает наличие средств логической адресации позволяющих однозначно

- 21 -

идентифицировать компьютер в объединенной сети Одной из главных функций

выполняемых средствами данного уровня является целенаправленная передача данных

конкретному получателю

Транспортный уровень(Transport layer) реализует передачу данных между двумя

программами функционирующими на разных компьютерах обеспечивая при этом

отсутствие потерь и дублирования информации которые могут возникать в результате

ошибок передачи нижних уровней В случае если данные передаваемые через

транспортный уровень подвергаются фрагментации то средства данного уровня

гарантируют сборку фрагментов в правильном порядке

Сессионный (или сеансовый) уровень (Session layer) позволяет двум программам

поддерживать продолжительное взаимодействие по сети называемое сессией (session)

или сеансом Этот уровень управляет установлением сеанса обменом информацией и

завершением сеанса Он также отвечает за идентификацию позволяя тем самым только

определенным абонентам принимать участие в сеансе и обеспечивает работу служб

безопасности с целью упорядочивания доступа к информации сессии

Уровень представления(Presentation layer) осуществляет промежуточное

преобразование данных исходящего сообщения в общий формат который предусмотрен

средствами нижних уровней а также обратное преобразование входящих данных из

общего формата в формат понятный получающей программе

Основные принципы уровневого взаимодействия

При уровневой организации процесса взаимодействия должны соблюдаться следующие

требования

компоненты одного уровня одной системы могут взаимодействовать с

компонентами только того же уровня другой системы

в рамках одной системы компоненты какого-либо уровня могут взаимодействовать

только с компонентами смежных (вышележащего и нижележащего) уровней

Набор правил определяющих порядок взаимодействия средств относящихся к одному и

тому же уровню и функционирующих в разных системах называется протоколом

(protocol) Правила взаимодействия между собой средств относящихся к смежным

уровням и функционирующих в одной системе называются интерфейсом (interface)

Функции физического уровня

Физический уровень определяет способ физического соединения компьютеров в сети

Основными функциями средств относящихся к данному уровню является побитовое

преобразование цифровых данных в сигналы среды передачи а также собственно

передача сигналов по физической среде

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно распространение

информационных сигналов в виде электрических световых и тп импульсов В настоящее

время выделяют два основных типа физических соединений соединения с помощью

кабеля и беспроводные соединения

- 22 -

Кабель (cable) используемый для построения компьютерных сетей представляет собой

сложную конструкцию состоящую в общем случае из проводников изолирующих и

экранирующих слоев В современных сетях используются три типа кабеля

Каждый тип кабеля отличается от других внутренним устройством и обладает целым

набором технических характеристик влияющих на основные потребительские параметры

сетей

Тип кабеля Характеристика

Максимальное

расстояние передачи

Максимальная

скорость передачи

Коаксиальный

кабель 185 ndash 500 м 10 Мбитс

Витая пара 30 ndash 100 м 10 Мбитс ndash 1

Гбитс

Оптоволоконный

кабель 2 км

10 Мбитс ndash 2

Гбитс

Топология сети - способ соединения компьютеров с помощью физической среды

Если сеть состоит всего из двух компьютеров то они соединяются напрямую Такой

способ соединения получил название точка-точка (point-to-point)

Выделяют три базовые топологии Шина (bus) Кольцо (ring) Звезда(star)

laquoШинаraquo - использует один передающий канал на базе коаксиального кабеля называемый

шиной Все сетевые компьютеры присоединяются напрямую к шине На концах кабеля-

шины устанавливаются специальные заглушки - терминаторы (terminator) Они

необходимы для того чтобы погасить сигнал после прохождения по шине К недостаткам

топологии Шина следует отнести следующее

данные предаваемые по кабелю доступны всем подключенным компьютерам

в случае повреждения шины вся сеть перестает функционировать

laquoКольцоraquo - характерно отсутствие конечных точек соединения сеть замкнута образуя

неразрывное кольцо по которому передаются данные Эта топология подразумевает

следующий механизм передачи данные передаются последовательно от одного

компьютера к другому пока не достигнут компьютера-получателя Недостатки топологии

кольцо те же то и у топологии шина

общедоступность данных

неустойчивость к повреждениям кабельной системы

В сети с топологией звезда все компьютеры соединены со специальным устройством

называемым сетевым концентратором или хабом (hub) который выполняет функции

- 23 -

распределения данных Прямые соединения двух компьютеров в сети отсутствуют

Благодаря этому имеется возможность решения проблемы общедоступности данных а

также повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы Однако

функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора

Канальный уровень - отвечает за организацию передачи данных между абонентами

через физический уровень поэтому на данном уровне предусмотрены средства адресации

позволяющие однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к общему физическому каналу В функции данного

уровня также входит упорядочивание передачи с целью обеспечения возможности

параллельного использования одного физического канала несколькими парами абонентов

Средства канального уровня обеспечивают проверку ошибок которые могут возникать

при передаче данных физическим уровнем Большинство функций канального уровня

выполняются устройствами передачи данных (например сетевым адаптером)

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена способ

представления информации а также необходимый набор правил позволяющий

упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток битов Перед

передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с принципом пакетной

коммутации разделяется на порции каждая из которых снабжается заголовком

содержащим некоторую служебную информацию те формируется пакет На канальном

уровне пакет называется кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает протокол Сложность

канальных протоколов во многом определяется сложностью топологии сети Очевидно

что организовать общение всего двух абонентов существенно проще чем упорядочивать

информационный обмен в сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких

пар абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Сетевой уровень - сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

- 24 -

адресации определенных различными технологиями Поэтому для обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого уровня модели OSI Устройства этого уровня предназначенные для объединения сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку составной сети Процесс определения пути прохождения данных через подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название маршрутизаторов

Транспортный уровень Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных

между устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд) Однако

не следует забывать что на одном узле может функционировать параллельно несколько

программ которым требуется доступ к сети Следовательно данные внутри

компьютерной системы должны распределяться между программами Поэтому при

передаче данных по сети недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо

также идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является отсутствие средств

позволяющих передавать большие массивы данных Когда исходные данные превышают

максимально допустимый размер пакета сетевого уровня то эти данные должны быть

разбиты на порции каждая из которых передается в сеть отдельным пакетом Однако

каждый пакет сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других

блок данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и следовательно ndash

обнаружить нарушение целостности общего массива данных Поэтому средства

транспортного уровня обеспечивают отсутствие потерь информации Такой режим

передачи данных получил название гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой функциональную

надстройку над сетевым уровнем и решают две основных задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

- 25 -

обеспечение гарантированной доставки массивов данных произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash UDP

обеспечивающий негарантированную доставку данных между программами и TCP

обеспечивающий гарантированную доставку с установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной уровень - Компоненты четырех

нижних уровней модели OSI (физического канального сетевого и транспортного)

представляют собой механизм обеспечивающий доставку данных любого типа и

произвольного объема между программами работающими на разных узлах составной

сети Однако при работе в сети пользователям требуется не просто пересылка данных а

выполнение каких-либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех возможностей

которые предоставляют средства нижних уровней недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо просмотреть

документ расположенный не на его локальном компьютере а на удаленной машине

Решение такой задачи предполагает как минимум прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса содержащего имя

документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной машины

изменений вносимых в этот документ другими пользователями и уведомление об этом

пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав пользователя на

работу с документом что предполагает дополнительный обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних уровней не имеют

средств позволяющих реализовать специфику такого взаимодействия Поэтому для его

организации требуются дополнительные надстройки над средствами транспортного и

нижележащих уровней В эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный

уровень уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или сессии) при

длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое (виртуальное) соединение между

двумя программами в общем случае функционирующими на разных компьютерах В

простейшем случае установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти необходимых для

приема и передачи данных После окончания передачи данных происходит закрытие

соединения предполагающее освобождение выделенных ресурсов Во многих случаях

этого недостаточно поэтому сессионный уровень предлагает более сложные механизмы

для организации сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая поддержка

осуществляется путем периодической отправки специальных тестовых пакетов при

получении которых участник соединения должен ответить Возвращаясь к

предложенному выше примеру следует отметить что установление соединения при

работе с удаленным документом позволяет один раз перед началом работы проверить

- 26 -

права доступа пользователя а также один раз передать запрос с именем файла В случае

если бы соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог бы

уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться дополнительное

преобразование Например это необходимо в случае если взаимодействующие

программы используют различные способы кодировки текстовой информации или если

для обеспечения защиты информации требуется осуществлять шифрование данных

Обеспечение подобных промежуточных преобразований возложено на уровень

представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными уровнями Они

позволяют осуществлять работу с различными информационными ресурсами сети

например файлами или сообщениями электронной почты Естественно что различные

типы ресурсов в общем случае требуют различных методов обработки и в том числе

методов сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI является

прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции работы с конкретными

информационными объектами В предложенном выше примере (чтение удаленного

документа) к функциям прикладного протокола относятся формирование запросов на

получение документа проверка прав доступа а также определение порядка пересылки

файлов и уведомлений об изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами определяемых

протоколами прикладного уровня часть функций сессионного уровня и уровня

представления может оказаться избыточной поэтому при программной реализации три

верхних уровня обычно объединяются

Модель сетевого взаимодействия

В 1984 году Международной Организацией по Стандартизации (International

Standard Organization ISO) была разработана модель взаимодействия

открытых систем (Open Systems Interconnection OSI) Модель представляет

собой международный стандарт для проектирования сетевых коммуникаций

и предполагает уровневый подход к построению сетей Каждый уровень

модели обслуживает различные этапы процесса взаимодействия

Посредством деления на уровни сетевая модель OSI упрощает совместную

работу оборудования и программного обеспечения Модель OSI разделяет

сетевые функции на семь уровней прикладной уровень представления

сессионный транспортный сетевой канальный и физический

Ниже дается краткая характеристика уровней модели

Физический уровень (Physical layer) определяет способ физического

соединения компьютеров в сети Функциями средств относящихся к

данному уровню являются побитовое преобразование цифровых

- 27 -

данных в сигналы передаваемые по физической среде (например по

кабелю) а также собственно передача сигналов

Канальный уровень(Data Link layer) отвечает за организацию передачи

данных между абонентами через физический уровень поэтому на

данном уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к обще линии связи В функции

данного уровня также входит упорядочивание передачи с целью

параллельного использования одной линии связи несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем

Сетевой уровень(Network layer) обеспечивает доставку данных между

компьютерами сети представляющей собой объединение различных

физических сетей Данный уровень предполагает наличие средств

логической адресации позволяющих однозначно идентифицировать

компьютер в объединенной сети Одной из главных функций

выполняемых средствами данного уровня является целенаправленная

передача данных конкретному получателю

Транспортный уровень(Transport layer) реализует передачу данных

между двумя программами функционирующими на разных

компьютерах обеспечивая при этом отсутствие потерь и дублирования

информации которые могут возникать в результате ошибок передачи

нижних уровней В случае если данные передаваемые через

транспортный уровень подвергаются фрагментации то средства

данного уровня гарантируют сборку фрагментов в правильном

порядке

Сессионный (или сеансовый) уровень (Session layer) позволяет двум

программам поддерживать продолжительное взаимодействие по сети

называемое сессией (session) или сеансом Этот уровень управляет

установлением сеанса обменом информацией и завершением сеанса

Он также отвечает за идентификацию позволяя тем самым только

определенным абонентам принимать участие в сеансе и обеспечивает

работу служб безопасности с целью упорядочивания доступа к

информации сессии

Уровень представления(Presentation layer) осуществляет

промежуточное преобразование данных исходящего сообщения в

общий формат который предусмотрен средствами нижних уровней а

также обратное преобразование входящих данных из общего формата в

формат понятный получающей программе

Прикладной уровень (Application layer) предоставляет

высокоуровневые функции сетевого взаимодействия такие как

передача файлов отправка сообщений по электронной почте и тп

Основные принципы уровневого взаимодействия

- 28 -

При уровневой организации процесса взаимодействия должны соблюдаться

следующие требования

компоненты одного уровня одной системы могут взаимодействовать с

компонентами только того же уровня другой системы

в рамках одной системы компоненты какого-либо уровня могут

взаимодействовать только с компонентами смежных (вышележащего и

нижележащего) уровней

Порядок уровневого взаимодействия

Набор правил определяющих порядок взаимодействия средств относящихся

к одному и тому же уровню и функционирующих в разных системах

называется протоколом (protocol) Правила взаимодействия между собой

средств относящихся к смежным уровням и функционирующих в одной

системе называются интерфейсом (interface)

Практическая реализация уровневого взаимодействия

На практике протоколы и интерфейсы регламентируют технические

требования предъявляемые к программным и аппаратным средствам

Программные (аппаратные) модули предназначенные для обеспечения

практического взаимодействия определяемого тем или иным протоколом

(или интерфейсом) обычно называют реализацией протокола (или

интерфейса)

Хотя различные компоненты относящиеся к различным уровням сетевой

модели формально должны быть функционально независимыми друг от

друга при практической разработке протоколов такая независимость не

всегда выдерживается Это объясняется тем что попытка добиться точного

соответствия эталонной модели может привести к неэффективности работы

программно-аппаратного обеспечения реализующего протокол В настоящее

время наблюдается два типа отклонений возникающих при реализации

уровневого взаимодействия

- 29 -

функции некоторых уровней могут объединяться одним протоколом и

наоборот ndash функции одного уровня могут делиться между различными

протоколами

функционирование протокола какого-либо уровня подразумевают

использование только определенных протоколов нижележащего

уровня

Поэтому разработка практических методов сетевого взаимодействия как

правило подразумевает разработку не отдельных протоколов а целых

наборов протоколов Такие наборы обычно включают в себя протоколы

относящиеся к нескольким смежным уровням эталонной модели OSI и

называются стеками (или семействами наборами) протоколов (protocol stack

protocol suite) Наиболее известным стеком протоколов обеспечивающим

взаимодействие в сети Интернет является стек протоколов TCPIP

Физический уровень

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Среда передачи

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Физический уровень определяет способ физического соединения

компьютеров в сети Основными функциями средств относящихся к

данному уровню является побитовое преобразование цифровых данных в

сигналы среды передачи а также собственно передача сигналов по

физической среде

Кабельные системы

- 30 -

Кабель (cable) используемый для построения компьютерных сетей

представляет собой сложную конструкцию состоящую в общем случае из

проводников изолирующих и экранирующих слоев В современных сетях

используются три типа кабеля

Еще одним важным понятием физического уровня является способ

соединения компьютеров с помощью физической среды или топология сети

Если сеть состоит всего из двух компьютеров то они соединяются

напрямую Такой способ соединения получил название точка-точка

(point-to-point)

Соединение типа точка-точка

Для обеспечения связи более чем двух компьютеров может использоваться

последовательность соединений типа точка-точка

Последовательность соединений типа точка-точка

Однако такой подход требует установки на большую часть компьютеров

нескольких устройств передачи данных

В качестве альтернативного подхода возможно использование более

сложных топологий позволяющих подключить к общей среде сразу

несколько компьютеров имеющих по одному устройству передачи данных

- 31 -

Выделяют три базовые топологии Шина (bus) Кольцо (ring)

Звезда(star)

Топология laquoШинаraquo

Топология Шина

Эта топология использует один передающий канал на базе коаксиального

кабеля называемый шиной Все сетевые компьютеры присоединяются

напрямую к шине На концах кабеля-шины устанавливаются специальные

заглушки - терминаторы (terminator) Они необходимы для того чтобы

погасить сигнал после прохождения по шине К недостаткам топологии

Шина следует отнести следующее

данные предаваемые по кабелю доступны всем подключенным

компьютерам

в случае повреждения шины вся сеть перестает функционировать

Топология laquoКольцоraquo

Топология Кольцо

Для топологии кольцо характерно отсутствие конечных точек соединения

сеть замкнута образуя неразрывное кольцо по которому передаются данные

Эта топология подразумевает следующий механизм передачи данные

передаются последовательно от одного компьютера к другому пока не

- 32 -

достигнут компьютера-получателя Недостатки топологии кольцо те же то

и у топологии шина

общедоступность данных

неустойчивость к повреждениям кабельной системы

Топология laquoЗвездаraquo

Топология Звезда

В сети с топологией звезда все компьютеры соединены со специальным

устройством называемым сетевым концентратором или хабом (hub)

который выполняет функции распределения данных Прямые соединения

двух компьютеров в сети отсутствуют Благодаря этому имеется

возможность решения проблемы общедоступности данных а также

повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы Однако

функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора

Физическая и логическая топологии

Следует отметить что термин топология может употребляться для

обозначения двух понятий ndash физической топологии и логической топологии

Физическая топология ndash способ физического соединения компьютеров с

помощью среды передачи например участками кабеля Логическая

топология определяет маршруты передачи данных в сети Во многих

случаях физическая топология однозначно определяет логическую

топологию Однако существуют такие конфигурации в которых логическая

топология отличается от физической Например сеть с физической

- 33 -

топологией laquoзвездаraquo может иметь логическую топологию laquoшинаraquo ndash все

зависит от того каким образом устроен сетевой концентратор

Кодированиедекодирование данных Как известно данные обрабатываемые

компьютером представляются в двоичном виде - как последовательность

нулей и единиц Однако понятия нуль и единица являются логическими

понятиями обозначающими электрические сигналы отличающиеся друг от

друга физическими параметрами и использующиеся для представления

информации в различных устройствах например оперативной памяти или

центральном процессоре В силу различных технических причин эти сигналы

не всегда могут передаваться по физическим каналам связи Поэтому они

должны быть преобразованы Процесс преобразования сигналов удобных

для компьютера в сигналы которые могут быть переданы по сети

называется физическим кодированием а обратное преобразование -

декодированием

Передача сигналов Информационные сигналы передаются по физическим

линиям связи последовательно В случае если между передающей и

принимающей сторонами параллельно существуют более одной линии

например проложено несколько кабелей то оказывается возможным

одновременно (параллельно) передавать несколько сигналов Если эти

сигналы представляют различные биты передаваемых данных то

повышается скорость информационного обмена Если же сигналы

представляют один и тот же бит данных - то повышается надежность

взаимодействия

Канальный уровень

Канальный уровень отвечает за организацию передачи данных

между абонентами через физический уровень поэтому на данном

уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к общему физическому

каналу В функции данного уровня также входит упорядочивание

передачи с целью обеспечения возможности параллельного

использования одного физического канала несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем Большинство функций канального уровня

выполняются устройствами передачи данных (например сетевым

- 34 -

адаптером)

Метод коммутации

дной из центральных проблем организации передачи данных по физическим

каналам является проблема параллельного использования одного и того же

канала несколькими парами абонентов Методы лежащие в основе ее

решения получили название методов коммутации

В настоящее время существует два основных метода коммутации

коммутация каналов и коммутация пакетов

Коммутация каналов предполагает что перед началом передачи данных

должна быть выполнена процедура установления соединения в результате

которой образуется составной канал По окончании сеанса связи соединение

разрывается и канал освобождается Классическим примером реализации

коммутации каналов является телефонная связь которая подразумевает что

абонент перед началом разговора набирает номер второго абонента в

результате чего последовательное переключение промежуточных

коммутаторов позволяет образовать непрерывный канал связи между

абонентами Коммутация каналов удобна для организации линий связи в

которых подразумевается передача потоков данных постоянной

интенсивности например таких как телефонный разговор в силу чего этот

метод оказывается недостаточно гибким при построении компьютерных

сетей

Метод коммутации пакетов основан на разбиении передаваемых по сети

данных на небольшие порции Каждая такая порция передается по сети

как единое целое и называется пакетом Такой метод является очень

удобным для параллельного использования физического канала несколькими

парами абонентов канал является занятым только во время прохождения

пакета Временные промежутки между передачей пакетов одним абонентам

могут быть использованы другими для отправки собственных пакетов

Пакет обычно состоит из двух частей ndash заголовка содержащего служебные

данные необходимые для управления доставкой пакета и собственно

данных подлежащих передаче Порядок обмена пакетами а также

конкретный состав заголовка пакетов определяется сетевым протоколом

Для именования пакетов различных уровней модели OSI используются

специальные термины Для канального уровня используется термин кадр

для сетевого ndash пакет для транспортного ndash сегмент дейтаграмма для

сессионного и более высоких уровней ndash сообщение

- 35 -

Протоколы канального уровня

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена

способ представления информации а также необходимый набор правил

позволяющий упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток

битов Перед передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с

принципом пакетной коммутации разделяется на порции каждая из

которых снабжается заголовком содержащим некоторую служебную

информацию те формируется пакет На канальном уровне пакет называется

кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает

протокол Сложность канальных протоколов во многом определяется

сложностью топологии сети Очевидно что организовать общение всего двух

абонентов существенно проще чем упорядочивать информационный обмен в

сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких пар

абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Структура кадра данных

Состав заголовка кадра зависит от многих факторов определяемых набором

функций которые выполняет протокол Тем не менее можно выделить ряд

информационных полей которые обычно присутствуют в заголовке кадра К

таким полям относятся

1 Специальные поля предназначенные для определения границ кадров

Поскольку в физической среде могут постоянно проходить какие-либо

сигналы то сетевые адаптеры должны уметь разбираться в том когда

начинается передача кадра и когда она заканчивается

2 Поле предназначенное для определения протокола сетевого уровня

которому необходимо передать данные Так как на одном компьютере могут

функционировать программные модули различных протоколов сетевого

уровня то протоколы канального уровня должны уметь распределять данные

по этим протоколам

3 Контрольная сумма (или специальный код) содержимого кадра которая

позволяет принимающей стороне определить наличие ошибок в принятых

данных Принцип ее использования состоит в следующем Сетевой адаптер

отправляющего компьютера после формирования кадра вычисляет значение

- 36 -

его контрольной суммы на основе содержимого и помещает это значение в

заголовок кадра Принимающая сторона также вычисляет контрольную

сумму полученного кадра и сравнивает его со значением помещенным в

заголовке Если они не совпадают то это означает что во время передачи

кадра произошла ошибка

4 Поля предназначенные для адресации абонентов в сложных сетях

(определены для протоколов применяемых в сетях базирующихся на

сложных топологиях)

Обобщенная структура кадра данных

Протоколы для сетей сложных топологий

Протоколы канального уровня этой группы являются более сложными чем

протоколы использующиеся в сетях типа точка-точка так как вынуждены

выполнять ряд дополнительных функций Основными функциями являются

Выделение на всем множестве компьютеров подключенных к сети

конкретного абонента с которым осуществляется информационный обмен

то есть адресация

Адресация абонентов

Упорядочивание доступа к среде передачи в случае когда нескольким парам

абонентов требуется осуществить передачу данных

Для обеспечения адресации абонентов в заголовке кадров должны

присутствовать следующие поля

- 37 -

1 Адрес отправителя ndash некоторое число (или набор чисел) позволяющее

идентифицировать сетевой адаптер (а следовательно и компьютер в

котором она установлена) который осуществил передачу кадра данных в

сеть Адреса присваиваются сетевым адаптерам на заводе-изготовителе и

как правило не изменяются в дальнейшем хотя большинство современных

адаптеров позволяют перепрограммировать сетевой адрес

Протоколы канального уровня и сетевые технологии

Функциональный состав того или иного протокола канального уровня во

многом определяется особенностями физического уровня например

топологией сети или типом среды передачи Поэтому при проектировании

сетевого взаимодействия используются и разрабатываются комплексные

стандарты получившие название сетевых технологий

Сетевая технология ndash это набор стандартов определяющий минимальный

состав программно-аппаратных средств достаточный для организации

взаимодействия компьютеров в сети Как правило сетевая технология

определяет топологию сети а также протокол канального уровня (формат

кадра порядок обмена кадрами MTU)

В настоящее время существует большое количество сетевых технологий и

соответственно определяемых ими протоколов канального уровня

Рассмотрим для примера одну из наиболее популярных в настоящее время

технологий ndash технологию локальных сетей Ethernet Эта технология

предполагает что сеть должна строиться на основе физических топологий

шина если используется коаксиальный кабель или звезда если

используется кабель типа витая пара В зависимости от типа используемого

кабеля скорость передачи данных лежит в диапазоне 10-100 Мбитс В

качестве метода доступа к среде передачи используется метод обнаружения

коллизий (CSMACD) Что касается формата кадра то в настоящее время на

практике используются 4 варианта кадров Ethernet отличающихся друг от

друга но все они согласуются с общими положениями изложенными ранее

Максимальный объем данных передаваемых в одном кадре (MTU) в

технологии Ethernet не может превышать 1500 байт

Помимо технологии Ethernet в настоящее время в локальных сетях широко

используются технологии AppleTalk FDDI и ATM В глобальных сетях

широко распространены технологии ATM FrameRelay ISDN и SMDS

Существует также ряд технологий использующихся для организации

беспроводных сетей Наиболее популярной технологией применяемой при

- 38 -

построении локальных сетей в настоящее время является технология

RadioEthernet Она предполагает передачу данных в двух УКВ-диапазонах

около 915 МГЦ и 2400-24835 МГц а также в инфракрасном спектре

Диапазон 915 МГц в России и Европе достаточно сильно загружен

средствами связи (сотовая телефония) поэтому он используется как

правило для организации сетей внутри зданий хотя технически позволяет

осуществлять передачу на значительные расстояния Это же ограничение

распространяется и на инфракрасный диапазон поскольку инфракрасные

лучи чувствительны к погодным условиям В зависимости от того какой

режим передачи используется сети RadioEthernet позволяют осуществлять

передачу данных со скоростью 2 - 10 Мбитс Технология RadioEthernet

предполагает построение сетей на базе топологий точка-точка и звезда В

качестве метода доступа используется метод предупреждения коллизий

(CSMACA)

Наряду с кабельными и беспроводными технологиями существуют также

технологии предполагающие комбинирование различных типов физической

среды передачи Обычно они применяются для построения асимметричных

сетей небольшие по объему запросы пользовательских компьютеров

передаются по кабельным каналам например с использованием телефонных

линий и модемов а прием осуществляется через спутниковый радиоканал

Объединение сетей на канальном уровне

Сложные сети в общем случае представляют собой совокупность

нескольких сетей Такие сети называются объединенными сетями

(internetwork)

Необходимость объединения сетей может быть вызвана разными причинами

Прежде всего это - преодоление технических ограничений среды передачи

например максимального расстояния передачи данных Кроме того

построение сети как объединенной позволяет повысить надежность (выход

из строя одной физической среды не влияет на работу остальных) и

обеспечить определенный уровень конфиденциальности (данные

передаваемые между компьютерами одной физической среды оказываются

недоступными компьютерам других сетей)

Для построения объединенных сетей требуются специальные устройства

которые позволяют подключать к себе две (или более) сети Наиболее

простым устройством такого вида является мост (bridge)

Мост

- 39 -

Принцип функционирования моста достаточно прост для подключения сетей

мост располагает несколькими портами с каждым из которых связываются

записи так называемой адресной таблицы содержащей список адресов

компьютеров сетей подключенных к мосту Когда мост получает кадр

данных то он передает его в сеть через порт который согласно таблице

соответствует адресу получателя В случае если адрес получателя не

обнаружен в адресной таблице то кадр передается во все сети Адресные

таблицы мостов как правило строятся на основе анализа кадров

передаваемых по сетям

Функции сетевого уровня

Сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе

различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне

достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети

но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети

с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это

объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

адресации определенных различными технологиями Поэтому для

обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства

представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую

абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых

технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого

уровня модели OSI

Очевидно что устройства этого уровня предназначенные для объединения

сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального

уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную

передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть

определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку

составной сети Процесс определения пути прохождения данных через

подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства

объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название

маршрутизаторов

- 40 -

Протокол IP

Протокол IP (Internet Protocol) входит в состав стека протоколов TCPIP и

является основным протоколом сетевого уровня использующимся в

Интернет и обеспечивающим единую схему логической адресации устройств

в сети и маршрутизацию данных

Для выполнения своих функций протокол определяет свой собственный

формат пакета Основными информационными полями заголовка пакета

являются

IP-адреса отправителя и получателя ndash предназначены для

идентификации отправителя и получателя (см IP-адресация)

Время жизни пакета (Time To Live TTL) - определяет время которое

IP-пакет может находиться в сети и предназначено для

предотвращения захламления сети заблудившимися пакетами

поля предназначенные для фрагментации пакетов (см IP-

фрагментация)

поля предназначенные для управления обработкой пакета (длина

пакета и заголовка контрольная сумма заголовка тип обслуживания и

тд)

Существует 5 классов IP-адресов ndash A B C D E Принадлежность IP-

адреса к тому или иному классу определяется значением первого

октета (W) Ниже показано соответствие значений первого октета и

классов адресов

Класс IP-адреса A B C D E

Диапазон первого

октета

1-

126

128-

191

192-

223

224-

239

240-

247

IP-адреса первых трех классов предназначены для адресации

отдельных узлов и отдельных сетей Такие адреса состоят из двух

частей ndash номера сети и номера узла Такая схема аналогична схеме

почтовых индексов ndash первые три цифры кодируют регион а остальные

ndash почтовое отделение внутри региона

Преимущества двухуровневой схемы очевидны она позволяет во-

первых адресовать целиком отдельные сети внутри составной сети

что необходимо для обеспечения маршрутизации а во-вторых ndash

присваивать узлам номера внутри одной сети независимо от других

сетей Естественно что компьютеры входящие в одну и ту же сеть

должны иметь IP-адреса с одинаковым номером сети

- 41 -

IP-Маршрутизация ndash процесс выбора пути для передачи пакета в сети Под

путем (маршрутом) понимается последовательность маршрутизаторов через

которые проходит пакет по пути к узлу-назначению IP-маршрутизатор ndash это

специальное устройство предназначенное для объединения сетей и

обеспечивающее определение пути прохождения пакетов в составной сети

Маршрутизатор должен иметь несколько IP-адресов с номерами сетей

соответствующими номерам объединяемых сетей

Как известно для разных сетевых технологий значение MTU определенное

для кадров данных может отличаться Поэтому при преобразовании кадров

на маршрутизаторе может потребоваться разделение вложенных в них IP-

пакетов на более мелкие пакеты

Для разделения пакетов на фрагменты модуль IP установленный на

маршрутизаторе создает на его основе некоторое число новых пакетов (в

соответствии с длиной исходного пакета и значения MTU для сети куда

должны быть переданы данные) Для того чтобы данные могли быть

правильно собраны получателем в заголовки новых IP-пакетов помещается

специальный числовой идентификатор позволяющий однозначно

определить что эти пакеты являются фрагментами одного большого пакета

Кроме того в заголовках также указывается положения фрагментов в

исходном пакете что позволяет обеспечить правильный порядок сборки

получателем

Вспомогательные протоколы сетевого уровня стека TCPIP

Главными функциями протокола IP является обеспечение единой схемы

адресации независимой от принципов адресации определяемых сетевыми

технологиями (адресацией канального уровня) а также передача данных по

составной сети (маршрутизация и фрагментация пакетов) Однако для

организации реального взаимодействия этого оказывается недостаточно -

существует еще ряд проблем

Первая проблема состоит в следующем Для того чтобы передать данные по

сети программное обеспечение протокола IP создает пакет и передает его

средствам канального уровня При этом средствам канального уровня для

формирования кадра данных необходим адрес получателя причем не

логический IP-адрес а MAC-адрес который может быть правильно опознан

сетевым адаптером принимающего компьютера Однако спецификацией

протокола IP не предусмотрен механизм позволяющий определять

соответствие между аппаратными и IP-адресами Эту функцию выполняет

вспомогательный протокол сетевого уровня ARP (Address Resolution

Protocol) входящий в семейство протоколов TCPIP

- 42 -

Другая серьезная проблема состоит в том что если при обработке IP-пакета

на маршрутизаторе возникли какие-то проблемы например истекло время

жизни пакета то отправитель о них не узнает поскольку механизм

обратной связи также не предусмотрен спецификацией протокола IP Для

решения этой проблемы используется специальный протокол сетевого

уровня ICMP (Internet Control Message Protocol) входящий в стек протоколов

TCPIP и обеспечивающий передачу управляющей информации и

информации об ошибках

В семействе протоколов TCPIP предусмотрен также ряд других

вспомогательных протоколов например протоколы динамической

маршрутизации обеспечивающие обмен информацией между

маршрутизаторами с целью автоматизации построения таблиц

маршрутизации

Транспортный уровень

Функции транспортного уровня

Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных между

устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд)

Однако не следует забывать что на одном узле может функционировать

параллельно несколько программ которым требуется доступ к сети

Следовательно данные внутри компьютерной системы должны

распределяться между программами Поэтому при передаче данных по сети

недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо также

идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является

отсутствие средств позволяющих передавать большие массивы данных

Когда исходные данные превышают максимально допустимый размер пакета

сетевого уровня то эти данные должны быть разбиты на порции каждая из

которых передается в сеть отдельным пакетом Однако каждый пакет

сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других блок

данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и

следовательно ndash обнаружить нарушение целостности общего массива

данных Поэтому средства транспортного уровня обеспечивают отсутствие

потерь информации Такой режим передачи данных получил название

гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой

- 43 -

функциональную надстройку над сетевым уровнем и решают две основных

задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

обеспечение гарантированной доставки массивов данных

произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash

UDP обеспечивающий негарантированную доставку данных между

программами и TCP обеспечивающий гарантированную доставку с

установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной

уровень

Компоненты четырех нижних уровней модели OSI (физического канального

сетевого и транспортного) представляют собой механизм обеспечивающий

доставку данных любого типа и произвольного объема между программами

работающими на разных узлах составной сети Однако при работе в сети

пользователям требуется не просто пересылка данных а выполнение каких-

либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех

возможностей которые предоставляют средства нижних уровней

недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо

просмотреть документ расположенный не на его локальном компьютере а

на удаленной машине Решение такой задачи предполагает как минимум

прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса

содержащего имя документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного

компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной

машины изменений вносимых в этот документ другими пользователями и

уведомление об этом пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав

пользователя на работу с документом что предполагает дополнительный

- 44 -

обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних

уровней не имеют средств позволяющих реализовать специфику такого

взаимодействия Поэтому для его организации требуются дополнительные

надстройки над средствами транспортного и нижележащих уровней В

эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный уровень

уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или

сессии) при длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое

(виртуальное) соединение между двумя программами в общем случае

функционирующими на разных компьютерах В простейшем случае

установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти

необходимых для приема и передачи данных После окончания передачи

данных происходит закрытие соединения предполагающее освобождение

выделенных ресурсов Во многих случаях этого недостаточно поэтому

сессионный уровень предлагает более сложные механизмы для организации

сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая

поддержка осуществляется путем периодической отправки специальных

тестовых пакетов при получении которых участник соединения должен

ответить Возвращаясь к предложенному выше примеру следует отметить

что установление соединения при работе с удаленным документом позволяет

один раз перед началом работы проверить права доступа пользователя а

также один раз передать запрос с именем файла В случае если бы

соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог

бы уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться

дополнительное преобразование Например это необходимо в случае если

взаимодействующие программы используют различные способы кодировки

текстовой информации или если для обеспечения защиты информации

требуется осуществлять шифрование данных Обеспечение подобных

промежуточных преобразований возложено на уровень представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными

уровнями Они позволяют осуществлять работу с различными

информационными ресурсами сети например файлами или сообщениями

электронной почты Естественно что различные типы ресурсов в общем

случае требуют различных методов обработки и в том числе методов

сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI

- 45 -

является прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции

работы с конкретными информационными объектами В предложенном выше

примере (чтение удаленного документа) к функциям прикладного протокола

относятся формирование запросов на получение документа проверка прав

доступа а также определение порядка пересылки файлов и уведомлений об

изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами

определяемых протоколами прикладного уровня часть функций сессионного

уровня и уровня представления может оказаться избыточной поэтому при

программной реализации три верхних уровня обычно объединяются

Page 5: - 3 - ВВЕДЕНИЕicm.muctr.ru/study/computers/inf001.pdf · 2016-08-25 · - 7 - А) Количество информации как мера уменьшения неопределенности

- 7 -

А) Количество информации как мера уменьшения неопределенности

знаний Единицы измерения количества информации

Формула Шеннона

Количество информации как мера уменьшения неопределенности знаний Информацию которую получает человек можно считать мерой уменьшения неопределенности знаний Если некоторое сообщение приводит к уменьшению неопределенности наших знаний то можно говорить что такое сообщение содержит информацию Сообщения обычно содержат информацию о каких-либо событиях Количество информации для событий с различными вероятностями определяется по формуле которую предложил КШеннон в 1948 году

где I - количество информации N - количество возможных событий pi - вероятности отдельных событий Если события равновероятны то количество информации определяется по формуле

- 8 -

или из показательного уравнения N = 2I

Единицы измерения количества информации За единицу количества информации принят 1 бит - количество информации содержащееся в сообщении уменьшающем неопределенность знаний в два раза Принята следующая система единиц измерения количества информации 1байт=8бит 1Кбайт=210байт 1Мбайт=210Кбайт=220байт 1Гбайт=210Мбайт=20Кбайт=230байт Пример После экзамена по информатике который сдавали ваши друзья объявляются оценки (2 3 4 или 5) Какое количество информации будет нести сообщение об оценке учащегося A который выучил лишь половину билетов и сообщение об оценке учащегося B который выучил все билеты Опыт показывает что для учащегося A все четыре оценки (события) равновероятны и тогда количество информации которое несет сообщение об оценке можно вычислить по формуле 22 I=log24=2бит На основании опыта можно также предположить что для учащегося B наиболее вероятной оценкой является 5 (p1 = 12) вероятность оценки 4 в два раза меньше (p2 = 14) а вероятности оценок 2 и 3 еще в два раза меньше (p3 = p4 = 18) Так как события неравновероятны воспользуемся для подсчета количества информации в сообщении формулой 21 I = -(12middotlog212 + 14middotlog214 + 18middotlog218 + 18middotlog218) бит = 175 бит Вычисления показали что при равновероятных событиях мы получаем большее количество информации чем при неравновероятных событиях

Алфавитный подход к измерению информации позволяет определить

количество информации заключенной тексте Алфавитный подход является

объективным те он не зависит от субъекта (человека) воспринимающего текст

Множество символов используемых при записи текста называется алфавитом

Полное количество символов в алфавите называется мощностью (размером)

алфавита Если допустить что все символы алфавита встречаются в тексте с

- 9 -

одинаковой частотой (равновероятно) то количество информации которое несет

каждый символ вычисляется по формуле

i = log2N где N mdash мощность алфавита Следовательно в 2-х

символьном алфавите каждый символ ―весит 1 бит (log22 = 1) в 4-х символьном

алфавите каждый символ несет 2 бита информации (log24 = 2) в 8-ми символьном mdash

3 бита (log2= 3) и тд Один символ из алфавита мощностью 256 (28) несет в тексте 8

бит информации Такое количество информации называется байт Алфавит из 256

символов используется для представления текстов в компьютере 1 байт = 8 бит

Если весь текст состоит из К символов то при алфавитном подходе размер

содержащейся в нем информации равен

I = К х i где i mdash информационный вес одного символа в используемом

алфавите

Информационный объем сообщения (информационная емкость

сообщения) ndash количество информации в сообщении измеренное в битах байтах или

производных единицах (Кбайтах Мбайтах и т д) Пример 1 Книга набранная с

помощью компьютера содержит 150 страниц на каждой странице mdash 40 строк b в

каждой строке mdash 60 символов Каков объем информации в книге

Решение Мощность компьютерного алфавита равна 256 Один символ несет 1 байт

информации Значит страница содержит 40 х 60 = 2400 байт информации Объем

всей информации в книге (в разных единицах)2400 х 150 == 360 000 байт

3600001024 = 3515625 Кбайт 35156251024 = 034332275 Мбайт

- 10 -

Глава 2 АРХИТЕКТУРА ЭВМ

21 История развития средств вычислительной техники ndash пять

поколений ЭВМ

22 Блок- схема ЭВМ (блок-схема по Нейману)

23 Блок- схема ПК Принцип открытой архитектуры

24 Характеристики вычислительных систем

25 Центральный процессор и микропроцессор

26 Системная плата

27 Внутренняя и внешняя память

210 Устройства ввода-вывода данных

Структура ЭВМ фон Неймана

Код

операции

Признаки

Команды

Операнды

Результаты

Исходные

данные

Программа

УВВ

ОЗУ

ВЗУ

АЛУ

УУ

Результаты

Адреса

- 11 -

bull Принципы Джон фон Неймана 1) принцип программного управления (программа состоит из набора команд которые выполняются процессором друг за другом в определенной последовательности) 2) принцип однородности памяти (программы и данные хранятся в одной и той же памяти) 3) принцип адресности (ОП состоит из пронумерованных ячеек и процессору в любой момент времени доступна любая ячейка)

- 12 -

Поколения ЭВМ

1На основе электронных ламп

2На основе электронных ламп и

дискретных транзисторных

логических элементов

3Семейства машин с единой

архитектурой

интегральные схемы

4Проектировались в расчете на

эффективное использование

современных высокоуровневых

языков

Поколения ЭВМ

1На основе электронных ламп

2На основе электронных ламп и

дискретных транзисторных

логических элементов

3Семейства машин с единой

архитектурой

интегральные схемы

4Проектировались в расчете на

эффективное использование

современных высокоуровневых

языков

- 13 -

Т

Основы построения ЭВМ

bull Принципы функционирования

универсальных вычислительных

устройств

bull 1 Принцип программного управления

bull 2 Принцип однородности памяти

bull 3 Принцип адресности

Поколения ЭВМ

- 14 -

Языки

сверхвысокого

Уровня

Сенсорные

Устройства

Оптические

диски

ДоскаСверхбольшие

Интегральные

схемы

90-нв5

Языки высокого

уровня

Интерактивные

устройства

ВинчестерыСтолБольшие

интеграль

ные

схемы

(БИС)

70ndash804

Алгоритмические

языки

ДисплеиМагнитные

диски

ШкафИнтегральные

схемы (ИС)

60ndash703

Автокоды

(ассемблер)

ТелетайпыМагнитные

ленты

КомнатаТранзисторы50ndash602

Машинные

языки

ПерфораторыМагнитный

барабан

Машинный

зал

Лампы40ndash501

ЯзыкиInoutНакопителиГабаритыЭлементыГодыПоколение

Глава 3 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

31 Развитие программного обеспечения

32Состав Microsoft Office

33 История языков программирования

Microsoft Word (часто mdash MS Word WinWord или просто Word) mdash это текстовый

процессор предназначенный для создания просмотра и редактирования текстовых

документов с локальным применением простейших форм таблично-матричных

алгоритмов Текстовый процессор выпускается корпорацией Microsoft в составе

пакета Microsoft Office Первая версия была написана Ричардом Броди (Richard

Brodie) для IBM PC использующих DOS в 1983 году Позднее выпускались версии

для Apple Macintosh (1984) SCO UNIX и Microsoft Windows (1989)

Microsoft Word многим обязан Bravo mdash текстовому процессору с оригинальным

графическим интерфейсом разработанному в исследовательском центре laquoXerox

PARCraquo Создатель Bravo Чарльз Симони (Charles Simonyi) покинул PARC в 1981

году Тем же летом Симони переманил Броди с которым вместе работал над Bravo

Первый выпуск Word для MS-DOS состоялся в конце 1983 года Он был плохо принят

рынком продажи снижало наличие конкурирующего продукта mdash WordPerfect

Однако версия для Макинтоша выпущенная в 1985 году получила широкое

распространение Через два года laquoWord 301 для Macintoshraquo усилил позиции (версия 30

изобиловала ошибками и быстро была заменена) Как и прочее программное обеспечение

для Макинтоша Word был полностью WYSIWYG-редактором (принцип laquoWhat You See Is

What You Getraquo mdash laquoполучаю то что вижуraquo)

- 15 -

Хотя MS-DOS и являлась текстовой операционной системой лишѐнной графической

оболочки Word для DOS был первым текстовым процессором для IBM PC который был

способен отображать разметку текста например полужирный или курсивный текст в

процессе редактирования Однако он всѐ же не являлся в полном смысле WYSIWYG-

редактором Другие же текстовые процессоры такие как WordStar и WordPerfect

использовали простой текстовый экран с кодами разметки иногда текст был цветным

Однако поскольку в большинстве программного обеспечения под DOS применялись

собственные труднозапоминаемые комбинации laquoгорячих клавишraquo для каждой команды

(например в Wordrsquoе для DOS сохранение файла выполнялось по комбинации ESC-T-S) и

большинство секретарей умели пользоваться только WordPerfect компании весьма

неохотно переходили на конкурирующие с ним продукты имеющие сравнительно

небольшие преимущества

Первая версия Word для Windows выпущенная в 1989 году продавалась по цене 500

долларов США Она демонстрировала выбранный компанией Майкрософт путь развития

как и сама Windows она многое взяла от Macintosh и использовала стандартные

клавиатурные сокращения (например CTRL-S для сохранения файла) После выпуска в

следующем году Windows 30 продажи поползли вверх (Word 10 гораздо лучше работал с

Windows 30 чем с более старыми версиями Windows386 и Windows286) главный

конкурент mdash WordPerfect mdash не смог выпустить рабочую версию под Windows что

оказалось для него смертельной ошибкой Версия 20 утвердила WinWord на позиции

лидера рынка

У Word для Macintosh никогда не было серьѐзных конкурентов даже несмотря на наличие

программ вроде Nisus предоставлявшую возможность выделения нескольких несвязных

кусков текста (появившуюся только в Word 2002 из Office XP) и несмотря на мнение

многих пользователей об отсутствии кардинальных различий между версиями 301

выпущенной в 1987 году и версией 50 выпущенной в 1991 Однако версия 60 для

Macintosh вышедшая в 1994 году была многими воспринята довольно скептически Это

была первая версия без значительных отличий в коде ядра между версиями под Windows и

под Mac Версия под Windows следовавшая за 20 была пронумерована как 60 для

координации названия версий под разные платформы

Последовавшие версии добавляли возможности выходящие за рамки простого текстового

процессора Инструменты рисования позволяли выполнять примитивные операции

вѐрстки такие как добавление графики в документ хотя естественно

специализированные программы для вѐрстки лучше справляются с этими задачами

Внедрение объектов сравнение версий документа мультиязычная поддержка и многие

другие возможности были добавлены за последовавшие несколько лет

Microsoft Word является наиболее популярным из используемых в данный момент

текстовых процессоров что сделало его бинарный формат документа стандартом де-

факто и многие конкурирующие программы имеют поддержку совместимости с данным

форматом Расширение laquodocraquo на платформе IBM PC стало синонимом двоичного формата

Word 97mdash2000 Фильтры экспорта и импорта в данный формат присутствуют в

большинстве текстовых процессоровФормат документа разных версий Word меняется

различия бывают довольно тонкими Форматирование нормально выглядящее в

последней версии может не отображаться в старых версиях программы однако есть

ограниченная возможность сохранения документа с потерей части форматирования для

открытия в старых версиях продукта Последняя версия MS Word 2007 использует по

умолчанию формат основанный на XML - Microsoft Office Open XML Спецификация

- 16 -

форматов файлов Word 97-2007 были опубликован Microsoft в 2008 году[1][2]

Ранее

большая часть информации нужной для работы с данным форматом добывалась

посредством обратного инжиниринга поскольку основная еѐ часть отсутствовала в

открытом доступе или была доступна лишь ограниченному числу партнеров и

контролирующих организаций

Как и прочие приложения из Microsoft Office Word может расширять свои возможности

посредством использования встроенного макроязыка (сначала использовался WordBasic с

версии Word 97 применяется VBA mdash Visual Basic для приложений) Однако это

предоставляет широкие возможности для написания встраиваемых в документы вирусов

(так называемые laquoмакровирусыraquo) Наиболее ярким примером была эпидемия червя

Melissa В связи с этим многие считают разумной рекомендацию всегда выставлять

наивысший уровень настроек безопасности при использовании Word (Меню

laquoToolsgtMacrogtSecurityraquo laquoСервисgtМакросgtБезопасностьhellipraquo в локализованных русских

версиях) Также нелишним будет использовать антивирусное программное обеспечение

Первым вирусом заражавшим документы Microsoft Word был DMV созданный в декабре

1994 года Дж МакНамарой для демонстрации возможности создания макровирусов

Первым же вирусом попавшим в дикую природу и вызвавшим первую в мире

эпидемию макровирусов (это произошло в июле-августе 1995 г) был Concept

12 августа 2009 года суд штата Техас запретил продажу программы Word на территории

США в связи с тем что Microsoft незаконно использует метод чтения XML-файлов

патент на который принадлежит канадской компании i4i [3]

В 1982 году Microsoft запустила на рынок первый электронный табличный процессор

Multiplan который был очень популярен на CPM системах но на MS-DOS системах он

уступал Lotus 1-2-3 Первая версия Excel предназначалась для Mac и была выпущена в

1985 году а первая версия для Windows была выпущена в ноябре 1987 года Lotus не

торопилась выпускать 1-2-3 под Windows и Excel с 1988 года начала обходить по

продажам 1-2-3 что в конечном итоге помогло Microsoft достичь позиций ведущего

разработчика программного обеспечения Microsoft укрепляла свое преимущество с

выпуском каждой новой версии что имело место примерно каждые два года Текущая

версия для платформы Windows mdash Excel 12 также известная как Microsoft Office Excel

2007 Текущая версия для платформы Mac OS X mdash Microsoft Excel 2008

В начале своего пути Excel стал причиной иска о товарном знаке от другой компании уже

продававшей пакет программ под названием laquoExcelraquo В результате спора Microsoft был

обязана использовать название laquoMicrosoft Excelraquo во всех своих официальных пресс-

релизах и юридических документах Однако со временем эта практика была позабыта и

Microsoft окончательно устранила проблему приобретя товарный знак другой программы

Microsoft также решила использовать буквы XL как сокращенное название программы

иконка Windows-программы состоит из стилизованного изображения этих двух букв а

расширение файлов по умолчанию в Excel mdash xls В сравнении с первыми табличными

процессорами Excel представляет множество новых функций пользовательского

интерфейса но суть остается прежней как и в программе-родоначальнике VisiCalc

ячейки расставляются в строки и столбцы и могут содержать данные или формулы с

относительными или абсолютными ссылками на другие клетки

Excel был первым табличным процессором позволявшим пользователю менять внешний

вид таблицы (шрифты символы и внешний вид ячеек) Он также первым представил

метод умного пересчета ячеек когда обновляются только те ячейки которые зависят от

- 17 -

измененных ячеек (раньше табличные процессоры либо постоянно пересчитывали все

ячейки или ждали команды пользователя)

Будучи впервые объединенными в Microsoft Office в 1993 году Microsoft Word и Microsoft

PowerPoint получили новый графический интерфейс для соответствия Excel главного

стимула модернизации ПК в то время

Начиная с 1993 года в состав Excel входит Visual Basic для приложений (VBA) язык

программирования основанный на Visual Basic позволяющий автоматизировать задачи

Excel VBA является мощным дополнением к приложению и в более поздних версиях

Excel доступна полнофункциональная интегрированная среда разработки Можно создать

VBA-код повторяющий действия пользователя и таким образом автоматизировать

простые задачи VBA позволяет создавать формы для общения с пользователем Язык

поддерживает использование (но не создание) DLL от ActiveX более поздние версии

позволяют использовать элементы объектно-ориентированного программирования

Функциональность VBA делала Excel легкой мишенью для макровирусов И это было

серьезной проблемой до тех пор пока антивирусные продукты не научились

обнаруживать их Фирма Microsoft с опозданием приняв меры для уменьшения риска

добавила возможность выбора режима безопасности

Идея PowerPoint появилась у Боба Гаскинса (Bob Gaskins) студента университета Беркли

который решил что наступает век графических интерактивных материалов В 1984 году

Гаскинс присоединился к провальной компании Forethought и нанял разработчика

Денниса Остина (Dennis Austin) Боб и Деннис объединили усилия и создали программу

Presenter Деннис создал оригинальную версию программы с Томом Рудкиным (Tom

Rudkin) Позже Боб решил сменить имя на PowerPoint которое и стало названием

конечного продукта

В 1987 году вышел PowerPoint 10 для Apple Macintosh Он работал в черно-белом цвете

Вскоре появились цветные Macintosh и новая версия PowerPoint не заставила себя ждать

Программное руководство с первой редакцией было уникально Это была книга синего

цвета в твердом переплете Компания Forethought считала что это лучше чем куча

исполняемых файлов помощи на компьютере и инструкций в электронном виде Но

обновление инструкции было необоснованно дорого Идея с подобными книгами была

вскоре заброшена

Позже в 1987 году Forethought и ее продукт были куплены Microsoft за 14 млн $ В 1990

году вышла версия для Windows C 1990 года PowerPoint стал стандартом в наборе

программ Microsoft Office

В 2002 году вышла версия PowerPoint которая не только была включена в пакет Microsoft

Office XP но также распространялась как отдельный продукт В нем появились такие

функции как сравнение и смешение изменений в презентации возможность задавать пути

анимации для индивидуальных форм создание пирамидальных радиальных и целевых

диаграмм а также кругов Эйлера панель задач для просмотра и выбора объектов буфера

обмена защита презентации паролем автоматическая генерация фотоальбома а также

―умные теги для быстрого выбора формата текста скопированного в презентацию

Microsoft PowerPoint 2003 не сильно отличается от предшественника Он увеличивает

эффективность работы в группе и теперь имеет возможность создания ―Пакета для CD

- 18 -

который легко позволяет скопировать презентацию с мультимедийным содержанием и

просмотрщик на компакт диск

Текущая версия Power Point 2007 привносит основные изменения в интерфейс программы

и увеличивает графические возможности

PowerPoint является частью Microsoft Office Это позволило PowerPoint стать наиболее

распространенной во всем мире программой для создания презентаций Файлы

презентаций PowerPoint часто пересылаются пользователями программы на другие

компьютеры что означает необходимую совместимость с ними программ конкурентов

Однако поскольку Power Point имеет возможность подключения элементов других

приложений через OLE некоторые презентации становятся сильно привязанными к

платформе Windows что делает невозможным открытие данных файлов например в

версии для Mac OS Это привело к переходу на открытые стандарты такие как PDF и

OASIS OpenDocument

Глава 4 АЛГОРИТМИЗАЦИЯ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

41 Структурный подход к разработке алгоритмов и программ

42 Основные структуры и операторы VBA

43 Примеры на VBA

- 19 -

Глава 5ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ

Компьютерные сети

Понятие компьютерной сети

Компьютерная сеть (Computer Network) ndash это множество компьютеров соединенных

линиями связи и работающих под управлением специального программного обеспечения

Под линией связи обычно понимают совокупность технических устройств и

физической среды обеспечивающих передачу сигналов от передатчика к приемнику В

реальной жизни примерами линий связи могут служить участки кабеля и усилители

обеспечивающие передачу сигналов между коммутаторами телефонной сети На основе

линий связи строятся каналы связи

Каналом связи обычно называют систему технических устройств и линий связи

обеспечивающую передачу информации между абонентами Соотношение между

понятиями канал и линия описывается следующим образом канал связи может

включать в себя несколько разнородных линий связи а одна линия связи может

использоваться несколькими каналами

Главной целью объединения компьютеров в сеть является предоставление пользователям

возможности доступа к различным информационным ресурсам (например документам

программам базам данных и тд) распределенным по этим компьютерам и их

совместного использования

Важной характеристикой любой компьютерной сети является широта территории

которую она охватывает Широта охвата определятся взаимной удаленностью

компьютеров составляющих сеть и следовательно влияет на технологические решения

выбираемые при построении сети Классически выделяют два типа сетей локальные сети

и глобальные сети

К локальным сетям (Local Area Network LAN) обычно относят сети компьютеры

которых сосредоточены на относительно небольших территориях (как правило в радиусе

до 1-2 км) Классическим примером локальных сетей является сеть одного предприятия

расположенного в одном или нескольких стоящих рядом зданиях Небольшой размер

локальных сетей позволяет использовать для их построения достаточно дорогие и

высококачественные технологии что обеспечивает высокую скорость обмена

информацией между компьютерами

Глобальные сети (Wide Area Network WAN) ndash это сети предназначенные для

объединения отдельных компьютеров и локальных сетей расположенных на

значительном удалении (сотни и тысячи километров) друг от друга Поскольку

организация специализированных высококачественных каналов связи большой

протяженности является достаточно дорогой то в глобальных сетях нередко

используются уже существующие и изначально не предназначенные для построения

компьютерных сетей линии (например телефонные или телеграфные) В связи с этим

скорость передачи данных в таких сетях существенно ниже чем в локальных

Независимо от того какую территорию покрывает сеть какие технологические решения

лежат в основе ее организации существуют общие принципы сетевого взаимодействия

которым должно подчиняться функционирование сети Именно выработка таких общих

- 20 -

принципов способствовала в свое время появлению Интернет (Internet) как объединенной

сети (иногда даже используется термин гиперсеть) собравшей в своем составе

локальные городские и глобальные сети всей планеты

Модель сетевого взаимодействия

В 1984 году Международной Организацией по Стандартизации (International Standard

Organization ISO) была разработана модель взаимодействия открытых систем (Open

Systems Interconnection OSI) Модель представляет собой международный стандарт для

проектирования сетевых коммуникаций и предполагает уровневый подход к построению

сетей Каждый уровень модели обслуживает различные этапы процесса взаимодействия

Посредством деления на уровни сетевая модель OSI упрощает совместную работу

оборудования и программного обеспечения Модель OSI разделяет сетевые функции на

семь уровней прикладной уровень представления сессионный транспортный сетевой

канальный и физический

Физический уровень (Physical layer) определяет способ физического соединения

компьютеров в сети Функциями средств относящихся к данному уровню являются

побитовое преобразование цифровых данных в сигналы передаваемые по физической

среде (например по кабелю) а также собственно передача сигналов

Канальный уровень(Data Link layer) отвечает за организацию передачи данных между

абонентами через физический уровень поэтому на данном уровне предусмотрены

средства адресации позволяющие однозначно идентифицировать отправителя и

получателя во всем множестве абонентов подключенных к обще линии связи В функции

данного уровня также входит упорядочивание передачи с целью параллельного

использования одной линии связи несколькими парами абонентов Кроме того средства

канального уровня обеспечивают проверку ошибок которые могут возникать при

передаче данных физическим уровнем

Сетевой уровень(Network layer) обеспечивает доставку данных между компьютерами

сети представляющей собой объединение различных физических сетей Данный уровень

предполагает наличие средств логической адресации позволяющих однозначно

- 21 -

идентифицировать компьютер в объединенной сети Одной из главных функций

выполняемых средствами данного уровня является целенаправленная передача данных

конкретному получателю

Транспортный уровень(Transport layer) реализует передачу данных между двумя

программами функционирующими на разных компьютерах обеспечивая при этом

отсутствие потерь и дублирования информации которые могут возникать в результате

ошибок передачи нижних уровней В случае если данные передаваемые через

транспортный уровень подвергаются фрагментации то средства данного уровня

гарантируют сборку фрагментов в правильном порядке

Сессионный (или сеансовый) уровень (Session layer) позволяет двум программам

поддерживать продолжительное взаимодействие по сети называемое сессией (session)

или сеансом Этот уровень управляет установлением сеанса обменом информацией и

завершением сеанса Он также отвечает за идентификацию позволяя тем самым только

определенным абонентам принимать участие в сеансе и обеспечивает работу служб

безопасности с целью упорядочивания доступа к информации сессии

Уровень представления(Presentation layer) осуществляет промежуточное

преобразование данных исходящего сообщения в общий формат который предусмотрен

средствами нижних уровней а также обратное преобразование входящих данных из

общего формата в формат понятный получающей программе

Основные принципы уровневого взаимодействия

При уровневой организации процесса взаимодействия должны соблюдаться следующие

требования

компоненты одного уровня одной системы могут взаимодействовать с

компонентами только того же уровня другой системы

в рамках одной системы компоненты какого-либо уровня могут взаимодействовать

только с компонентами смежных (вышележащего и нижележащего) уровней

Набор правил определяющих порядок взаимодействия средств относящихся к одному и

тому же уровню и функционирующих в разных системах называется протоколом

(protocol) Правила взаимодействия между собой средств относящихся к смежным

уровням и функционирующих в одной системе называются интерфейсом (interface)

Функции физического уровня

Физический уровень определяет способ физического соединения компьютеров в сети

Основными функциями средств относящихся к данному уровню является побитовое

преобразование цифровых данных в сигналы среды передачи а также собственно

передача сигналов по физической среде

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно распространение

информационных сигналов в виде электрических световых и тп импульсов В настоящее

время выделяют два основных типа физических соединений соединения с помощью

кабеля и беспроводные соединения

- 22 -

Кабель (cable) используемый для построения компьютерных сетей представляет собой

сложную конструкцию состоящую в общем случае из проводников изолирующих и

экранирующих слоев В современных сетях используются три типа кабеля

Каждый тип кабеля отличается от других внутренним устройством и обладает целым

набором технических характеристик влияющих на основные потребительские параметры

сетей

Тип кабеля Характеристика

Максимальное

расстояние передачи

Максимальная

скорость передачи

Коаксиальный

кабель 185 ndash 500 м 10 Мбитс

Витая пара 30 ndash 100 м 10 Мбитс ndash 1

Гбитс

Оптоволоконный

кабель 2 км

10 Мбитс ndash 2

Гбитс

Топология сети - способ соединения компьютеров с помощью физической среды

Если сеть состоит всего из двух компьютеров то они соединяются напрямую Такой

способ соединения получил название точка-точка (point-to-point)

Выделяют три базовые топологии Шина (bus) Кольцо (ring) Звезда(star)

laquoШинаraquo - использует один передающий канал на базе коаксиального кабеля называемый

шиной Все сетевые компьютеры присоединяются напрямую к шине На концах кабеля-

шины устанавливаются специальные заглушки - терминаторы (terminator) Они

необходимы для того чтобы погасить сигнал после прохождения по шине К недостаткам

топологии Шина следует отнести следующее

данные предаваемые по кабелю доступны всем подключенным компьютерам

в случае повреждения шины вся сеть перестает функционировать

laquoКольцоraquo - характерно отсутствие конечных точек соединения сеть замкнута образуя

неразрывное кольцо по которому передаются данные Эта топология подразумевает

следующий механизм передачи данные передаются последовательно от одного

компьютера к другому пока не достигнут компьютера-получателя Недостатки топологии

кольцо те же то и у топологии шина

общедоступность данных

неустойчивость к повреждениям кабельной системы

В сети с топологией звезда все компьютеры соединены со специальным устройством

называемым сетевым концентратором или хабом (hub) который выполняет функции

- 23 -

распределения данных Прямые соединения двух компьютеров в сети отсутствуют

Благодаря этому имеется возможность решения проблемы общедоступности данных а

также повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы Однако

функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора

Канальный уровень - отвечает за организацию передачи данных между абонентами

через физический уровень поэтому на данном уровне предусмотрены средства адресации

позволяющие однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к общему физическому каналу В функции данного

уровня также входит упорядочивание передачи с целью обеспечения возможности

параллельного использования одного физического канала несколькими парами абонентов

Средства канального уровня обеспечивают проверку ошибок которые могут возникать

при передаче данных физическим уровнем Большинство функций канального уровня

выполняются устройствами передачи данных (например сетевым адаптером)

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена способ

представления информации а также необходимый набор правил позволяющий

упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток битов Перед

передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с принципом пакетной

коммутации разделяется на порции каждая из которых снабжается заголовком

содержащим некоторую служебную информацию те формируется пакет На канальном

уровне пакет называется кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает протокол Сложность

канальных протоколов во многом определяется сложностью топологии сети Очевидно

что организовать общение всего двух абонентов существенно проще чем упорядочивать

информационный обмен в сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких

пар абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Сетевой уровень - сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

- 24 -

адресации определенных различными технологиями Поэтому для обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого уровня модели OSI Устройства этого уровня предназначенные для объединения сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку составной сети Процесс определения пути прохождения данных через подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название маршрутизаторов

Транспортный уровень Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных

между устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд) Однако

не следует забывать что на одном узле может функционировать параллельно несколько

программ которым требуется доступ к сети Следовательно данные внутри

компьютерной системы должны распределяться между программами Поэтому при

передаче данных по сети недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо

также идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является отсутствие средств

позволяющих передавать большие массивы данных Когда исходные данные превышают

максимально допустимый размер пакета сетевого уровня то эти данные должны быть

разбиты на порции каждая из которых передается в сеть отдельным пакетом Однако

каждый пакет сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других

блок данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и следовательно ndash

обнаружить нарушение целостности общего массива данных Поэтому средства

транспортного уровня обеспечивают отсутствие потерь информации Такой режим

передачи данных получил название гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой функциональную

надстройку над сетевым уровнем и решают две основных задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

- 25 -

обеспечение гарантированной доставки массивов данных произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash UDP

обеспечивающий негарантированную доставку данных между программами и TCP

обеспечивающий гарантированную доставку с установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной уровень - Компоненты четырех

нижних уровней модели OSI (физического канального сетевого и транспортного)

представляют собой механизм обеспечивающий доставку данных любого типа и

произвольного объема между программами работающими на разных узлах составной

сети Однако при работе в сети пользователям требуется не просто пересылка данных а

выполнение каких-либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех возможностей

которые предоставляют средства нижних уровней недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо просмотреть

документ расположенный не на его локальном компьютере а на удаленной машине

Решение такой задачи предполагает как минимум прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса содержащего имя

документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной машины

изменений вносимых в этот документ другими пользователями и уведомление об этом

пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав пользователя на

работу с документом что предполагает дополнительный обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних уровней не имеют

средств позволяющих реализовать специфику такого взаимодействия Поэтому для его

организации требуются дополнительные надстройки над средствами транспортного и

нижележащих уровней В эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный

уровень уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или сессии) при

длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое (виртуальное) соединение между

двумя программами в общем случае функционирующими на разных компьютерах В

простейшем случае установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти необходимых для

приема и передачи данных После окончания передачи данных происходит закрытие

соединения предполагающее освобождение выделенных ресурсов Во многих случаях

этого недостаточно поэтому сессионный уровень предлагает более сложные механизмы

для организации сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая поддержка

осуществляется путем периодической отправки специальных тестовых пакетов при

получении которых участник соединения должен ответить Возвращаясь к

предложенному выше примеру следует отметить что установление соединения при

работе с удаленным документом позволяет один раз перед началом работы проверить

- 26 -

права доступа пользователя а также один раз передать запрос с именем файла В случае

если бы соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог бы

уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться дополнительное

преобразование Например это необходимо в случае если взаимодействующие

программы используют различные способы кодировки текстовой информации или если

для обеспечения защиты информации требуется осуществлять шифрование данных

Обеспечение подобных промежуточных преобразований возложено на уровень

представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными уровнями Они

позволяют осуществлять работу с различными информационными ресурсами сети

например файлами или сообщениями электронной почты Естественно что различные

типы ресурсов в общем случае требуют различных методов обработки и в том числе

методов сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI является

прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции работы с конкретными

информационными объектами В предложенном выше примере (чтение удаленного

документа) к функциям прикладного протокола относятся формирование запросов на

получение документа проверка прав доступа а также определение порядка пересылки

файлов и уведомлений об изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами определяемых

протоколами прикладного уровня часть функций сессионного уровня и уровня

представления может оказаться избыточной поэтому при программной реализации три

верхних уровня обычно объединяются

Модель сетевого взаимодействия

В 1984 году Международной Организацией по Стандартизации (International

Standard Organization ISO) была разработана модель взаимодействия

открытых систем (Open Systems Interconnection OSI) Модель представляет

собой международный стандарт для проектирования сетевых коммуникаций

и предполагает уровневый подход к построению сетей Каждый уровень

модели обслуживает различные этапы процесса взаимодействия

Посредством деления на уровни сетевая модель OSI упрощает совместную

работу оборудования и программного обеспечения Модель OSI разделяет

сетевые функции на семь уровней прикладной уровень представления

сессионный транспортный сетевой канальный и физический

Ниже дается краткая характеристика уровней модели

Физический уровень (Physical layer) определяет способ физического

соединения компьютеров в сети Функциями средств относящихся к

данному уровню являются побитовое преобразование цифровых

- 27 -

данных в сигналы передаваемые по физической среде (например по

кабелю) а также собственно передача сигналов

Канальный уровень(Data Link layer) отвечает за организацию передачи

данных между абонентами через физический уровень поэтому на

данном уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к обще линии связи В функции

данного уровня также входит упорядочивание передачи с целью

параллельного использования одной линии связи несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем

Сетевой уровень(Network layer) обеспечивает доставку данных между

компьютерами сети представляющей собой объединение различных

физических сетей Данный уровень предполагает наличие средств

логической адресации позволяющих однозначно идентифицировать

компьютер в объединенной сети Одной из главных функций

выполняемых средствами данного уровня является целенаправленная

передача данных конкретному получателю

Транспортный уровень(Transport layer) реализует передачу данных

между двумя программами функционирующими на разных

компьютерах обеспечивая при этом отсутствие потерь и дублирования

информации которые могут возникать в результате ошибок передачи

нижних уровней В случае если данные передаваемые через

транспортный уровень подвергаются фрагментации то средства

данного уровня гарантируют сборку фрагментов в правильном

порядке

Сессионный (или сеансовый) уровень (Session layer) позволяет двум

программам поддерживать продолжительное взаимодействие по сети

называемое сессией (session) или сеансом Этот уровень управляет

установлением сеанса обменом информацией и завершением сеанса

Он также отвечает за идентификацию позволяя тем самым только

определенным абонентам принимать участие в сеансе и обеспечивает

работу служб безопасности с целью упорядочивания доступа к

информации сессии

Уровень представления(Presentation layer) осуществляет

промежуточное преобразование данных исходящего сообщения в

общий формат который предусмотрен средствами нижних уровней а

также обратное преобразование входящих данных из общего формата в

формат понятный получающей программе

Прикладной уровень (Application layer) предоставляет

высокоуровневые функции сетевого взаимодействия такие как

передача файлов отправка сообщений по электронной почте и тп

Основные принципы уровневого взаимодействия

- 28 -

При уровневой организации процесса взаимодействия должны соблюдаться

следующие требования

компоненты одного уровня одной системы могут взаимодействовать с

компонентами только того же уровня другой системы

в рамках одной системы компоненты какого-либо уровня могут

взаимодействовать только с компонентами смежных (вышележащего и

нижележащего) уровней

Порядок уровневого взаимодействия

Набор правил определяющих порядок взаимодействия средств относящихся

к одному и тому же уровню и функционирующих в разных системах

называется протоколом (protocol) Правила взаимодействия между собой

средств относящихся к смежным уровням и функционирующих в одной

системе называются интерфейсом (interface)

Практическая реализация уровневого взаимодействия

На практике протоколы и интерфейсы регламентируют технические

требования предъявляемые к программным и аппаратным средствам

Программные (аппаратные) модули предназначенные для обеспечения

практического взаимодействия определяемого тем или иным протоколом

(или интерфейсом) обычно называют реализацией протокола (или

интерфейса)

Хотя различные компоненты относящиеся к различным уровням сетевой

модели формально должны быть функционально независимыми друг от

друга при практической разработке протоколов такая независимость не

всегда выдерживается Это объясняется тем что попытка добиться точного

соответствия эталонной модели может привести к неэффективности работы

программно-аппаратного обеспечения реализующего протокол В настоящее

время наблюдается два типа отклонений возникающих при реализации

уровневого взаимодействия

- 29 -

функции некоторых уровней могут объединяться одним протоколом и

наоборот ndash функции одного уровня могут делиться между различными

протоколами

функционирование протокола какого-либо уровня подразумевают

использование только определенных протоколов нижележащего

уровня

Поэтому разработка практических методов сетевого взаимодействия как

правило подразумевает разработку не отдельных протоколов а целых

наборов протоколов Такие наборы обычно включают в себя протоколы

относящиеся к нескольким смежным уровням эталонной модели OSI и

называются стеками (или семействами наборами) протоколов (protocol stack

protocol suite) Наиболее известным стеком протоколов обеспечивающим

взаимодействие в сети Интернет является стек протоколов TCPIP

Физический уровень

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Среда передачи

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Физический уровень определяет способ физического соединения

компьютеров в сети Основными функциями средств относящихся к

данному уровню является побитовое преобразование цифровых данных в

сигналы среды передачи а также собственно передача сигналов по

физической среде

Кабельные системы

- 30 -

Кабель (cable) используемый для построения компьютерных сетей

представляет собой сложную конструкцию состоящую в общем случае из

проводников изолирующих и экранирующих слоев В современных сетях

используются три типа кабеля

Еще одним важным понятием физического уровня является способ

соединения компьютеров с помощью физической среды или топология сети

Если сеть состоит всего из двух компьютеров то они соединяются

напрямую Такой способ соединения получил название точка-точка

(point-to-point)

Соединение типа точка-точка

Для обеспечения связи более чем двух компьютеров может использоваться

последовательность соединений типа точка-точка

Последовательность соединений типа точка-точка

Однако такой подход требует установки на большую часть компьютеров

нескольких устройств передачи данных

В качестве альтернативного подхода возможно использование более

сложных топологий позволяющих подключить к общей среде сразу

несколько компьютеров имеющих по одному устройству передачи данных

- 31 -

Выделяют три базовые топологии Шина (bus) Кольцо (ring)

Звезда(star)

Топология laquoШинаraquo

Топология Шина

Эта топология использует один передающий канал на базе коаксиального

кабеля называемый шиной Все сетевые компьютеры присоединяются

напрямую к шине На концах кабеля-шины устанавливаются специальные

заглушки - терминаторы (terminator) Они необходимы для того чтобы

погасить сигнал после прохождения по шине К недостаткам топологии

Шина следует отнести следующее

данные предаваемые по кабелю доступны всем подключенным

компьютерам

в случае повреждения шины вся сеть перестает функционировать

Топология laquoКольцоraquo

Топология Кольцо

Для топологии кольцо характерно отсутствие конечных точек соединения

сеть замкнута образуя неразрывное кольцо по которому передаются данные

Эта топология подразумевает следующий механизм передачи данные

передаются последовательно от одного компьютера к другому пока не

- 32 -

достигнут компьютера-получателя Недостатки топологии кольцо те же то

и у топологии шина

общедоступность данных

неустойчивость к повреждениям кабельной системы

Топология laquoЗвездаraquo

Топология Звезда

В сети с топологией звезда все компьютеры соединены со специальным

устройством называемым сетевым концентратором или хабом (hub)

который выполняет функции распределения данных Прямые соединения

двух компьютеров в сети отсутствуют Благодаря этому имеется

возможность решения проблемы общедоступности данных а также

повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы Однако

функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора

Физическая и логическая топологии

Следует отметить что термин топология может употребляться для

обозначения двух понятий ndash физической топологии и логической топологии

Физическая топология ndash способ физического соединения компьютеров с

помощью среды передачи например участками кабеля Логическая

топология определяет маршруты передачи данных в сети Во многих

случаях физическая топология однозначно определяет логическую

топологию Однако существуют такие конфигурации в которых логическая

топология отличается от физической Например сеть с физической

- 33 -

топологией laquoзвездаraquo может иметь логическую топологию laquoшинаraquo ndash все

зависит от того каким образом устроен сетевой концентратор

Кодированиедекодирование данных Как известно данные обрабатываемые

компьютером представляются в двоичном виде - как последовательность

нулей и единиц Однако понятия нуль и единица являются логическими

понятиями обозначающими электрические сигналы отличающиеся друг от

друга физическими параметрами и использующиеся для представления

информации в различных устройствах например оперативной памяти или

центральном процессоре В силу различных технических причин эти сигналы

не всегда могут передаваться по физическим каналам связи Поэтому они

должны быть преобразованы Процесс преобразования сигналов удобных

для компьютера в сигналы которые могут быть переданы по сети

называется физическим кодированием а обратное преобразование -

декодированием

Передача сигналов Информационные сигналы передаются по физическим

линиям связи последовательно В случае если между передающей и

принимающей сторонами параллельно существуют более одной линии

например проложено несколько кабелей то оказывается возможным

одновременно (параллельно) передавать несколько сигналов Если эти

сигналы представляют различные биты передаваемых данных то

повышается скорость информационного обмена Если же сигналы

представляют один и тот же бит данных - то повышается надежность

взаимодействия

Канальный уровень

Канальный уровень отвечает за организацию передачи данных

между абонентами через физический уровень поэтому на данном

уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к общему физическому

каналу В функции данного уровня также входит упорядочивание

передачи с целью обеспечения возможности параллельного

использования одного физического канала несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем Большинство функций канального уровня

выполняются устройствами передачи данных (например сетевым

- 34 -

адаптером)

Метод коммутации

дной из центральных проблем организации передачи данных по физическим

каналам является проблема параллельного использования одного и того же

канала несколькими парами абонентов Методы лежащие в основе ее

решения получили название методов коммутации

В настоящее время существует два основных метода коммутации

коммутация каналов и коммутация пакетов

Коммутация каналов предполагает что перед началом передачи данных

должна быть выполнена процедура установления соединения в результате

которой образуется составной канал По окончании сеанса связи соединение

разрывается и канал освобождается Классическим примером реализации

коммутации каналов является телефонная связь которая подразумевает что

абонент перед началом разговора набирает номер второго абонента в

результате чего последовательное переключение промежуточных

коммутаторов позволяет образовать непрерывный канал связи между

абонентами Коммутация каналов удобна для организации линий связи в

которых подразумевается передача потоков данных постоянной

интенсивности например таких как телефонный разговор в силу чего этот

метод оказывается недостаточно гибким при построении компьютерных

сетей

Метод коммутации пакетов основан на разбиении передаваемых по сети

данных на небольшие порции Каждая такая порция передается по сети

как единое целое и называется пакетом Такой метод является очень

удобным для параллельного использования физического канала несколькими

парами абонентов канал является занятым только во время прохождения

пакета Временные промежутки между передачей пакетов одним абонентам

могут быть использованы другими для отправки собственных пакетов

Пакет обычно состоит из двух частей ndash заголовка содержащего служебные

данные необходимые для управления доставкой пакета и собственно

данных подлежащих передаче Порядок обмена пакетами а также

конкретный состав заголовка пакетов определяется сетевым протоколом

Для именования пакетов различных уровней модели OSI используются

специальные термины Для канального уровня используется термин кадр

для сетевого ndash пакет для транспортного ndash сегмент дейтаграмма для

сессионного и более высоких уровней ndash сообщение

- 35 -

Протоколы канального уровня

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена

способ представления информации а также необходимый набор правил

позволяющий упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток

битов Перед передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с

принципом пакетной коммутации разделяется на порции каждая из

которых снабжается заголовком содержащим некоторую служебную

информацию те формируется пакет На канальном уровне пакет называется

кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает

протокол Сложность канальных протоколов во многом определяется

сложностью топологии сети Очевидно что организовать общение всего двух

абонентов существенно проще чем упорядочивать информационный обмен в

сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких пар

абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Структура кадра данных

Состав заголовка кадра зависит от многих факторов определяемых набором

функций которые выполняет протокол Тем не менее можно выделить ряд

информационных полей которые обычно присутствуют в заголовке кадра К

таким полям относятся

1 Специальные поля предназначенные для определения границ кадров

Поскольку в физической среде могут постоянно проходить какие-либо

сигналы то сетевые адаптеры должны уметь разбираться в том когда

начинается передача кадра и когда она заканчивается

2 Поле предназначенное для определения протокола сетевого уровня

которому необходимо передать данные Так как на одном компьютере могут

функционировать программные модули различных протоколов сетевого

уровня то протоколы канального уровня должны уметь распределять данные

по этим протоколам

3 Контрольная сумма (или специальный код) содержимого кадра которая

позволяет принимающей стороне определить наличие ошибок в принятых

данных Принцип ее использования состоит в следующем Сетевой адаптер

отправляющего компьютера после формирования кадра вычисляет значение

- 36 -

его контрольной суммы на основе содержимого и помещает это значение в

заголовок кадра Принимающая сторона также вычисляет контрольную

сумму полученного кадра и сравнивает его со значением помещенным в

заголовке Если они не совпадают то это означает что во время передачи

кадра произошла ошибка

4 Поля предназначенные для адресации абонентов в сложных сетях

(определены для протоколов применяемых в сетях базирующихся на

сложных топологиях)

Обобщенная структура кадра данных

Протоколы для сетей сложных топологий

Протоколы канального уровня этой группы являются более сложными чем

протоколы использующиеся в сетях типа точка-точка так как вынуждены

выполнять ряд дополнительных функций Основными функциями являются

Выделение на всем множестве компьютеров подключенных к сети

конкретного абонента с которым осуществляется информационный обмен

то есть адресация

Адресация абонентов

Упорядочивание доступа к среде передачи в случае когда нескольким парам

абонентов требуется осуществить передачу данных

Для обеспечения адресации абонентов в заголовке кадров должны

присутствовать следующие поля

- 37 -

1 Адрес отправителя ndash некоторое число (или набор чисел) позволяющее

идентифицировать сетевой адаптер (а следовательно и компьютер в

котором она установлена) который осуществил передачу кадра данных в

сеть Адреса присваиваются сетевым адаптерам на заводе-изготовителе и

как правило не изменяются в дальнейшем хотя большинство современных

адаптеров позволяют перепрограммировать сетевой адрес

Протоколы канального уровня и сетевые технологии

Функциональный состав того или иного протокола канального уровня во

многом определяется особенностями физического уровня например

топологией сети или типом среды передачи Поэтому при проектировании

сетевого взаимодействия используются и разрабатываются комплексные

стандарты получившие название сетевых технологий

Сетевая технология ndash это набор стандартов определяющий минимальный

состав программно-аппаратных средств достаточный для организации

взаимодействия компьютеров в сети Как правило сетевая технология

определяет топологию сети а также протокол канального уровня (формат

кадра порядок обмена кадрами MTU)

В настоящее время существует большое количество сетевых технологий и

соответственно определяемых ими протоколов канального уровня

Рассмотрим для примера одну из наиболее популярных в настоящее время

технологий ndash технологию локальных сетей Ethernet Эта технология

предполагает что сеть должна строиться на основе физических топологий

шина если используется коаксиальный кабель или звезда если

используется кабель типа витая пара В зависимости от типа используемого

кабеля скорость передачи данных лежит в диапазоне 10-100 Мбитс В

качестве метода доступа к среде передачи используется метод обнаружения

коллизий (CSMACD) Что касается формата кадра то в настоящее время на

практике используются 4 варианта кадров Ethernet отличающихся друг от

друга но все они согласуются с общими положениями изложенными ранее

Максимальный объем данных передаваемых в одном кадре (MTU) в

технологии Ethernet не может превышать 1500 байт

Помимо технологии Ethernet в настоящее время в локальных сетях широко

используются технологии AppleTalk FDDI и ATM В глобальных сетях

широко распространены технологии ATM FrameRelay ISDN и SMDS

Существует также ряд технологий использующихся для организации

беспроводных сетей Наиболее популярной технологией применяемой при

- 38 -

построении локальных сетей в настоящее время является технология

RadioEthernet Она предполагает передачу данных в двух УКВ-диапазонах

около 915 МГЦ и 2400-24835 МГц а также в инфракрасном спектре

Диапазон 915 МГц в России и Европе достаточно сильно загружен

средствами связи (сотовая телефония) поэтому он используется как

правило для организации сетей внутри зданий хотя технически позволяет

осуществлять передачу на значительные расстояния Это же ограничение

распространяется и на инфракрасный диапазон поскольку инфракрасные

лучи чувствительны к погодным условиям В зависимости от того какой

режим передачи используется сети RadioEthernet позволяют осуществлять

передачу данных со скоростью 2 - 10 Мбитс Технология RadioEthernet

предполагает построение сетей на базе топологий точка-точка и звезда В

качестве метода доступа используется метод предупреждения коллизий

(CSMACA)

Наряду с кабельными и беспроводными технологиями существуют также

технологии предполагающие комбинирование различных типов физической

среды передачи Обычно они применяются для построения асимметричных

сетей небольшие по объему запросы пользовательских компьютеров

передаются по кабельным каналам например с использованием телефонных

линий и модемов а прием осуществляется через спутниковый радиоканал

Объединение сетей на канальном уровне

Сложные сети в общем случае представляют собой совокупность

нескольких сетей Такие сети называются объединенными сетями

(internetwork)

Необходимость объединения сетей может быть вызвана разными причинами

Прежде всего это - преодоление технических ограничений среды передачи

например максимального расстояния передачи данных Кроме того

построение сети как объединенной позволяет повысить надежность (выход

из строя одной физической среды не влияет на работу остальных) и

обеспечить определенный уровень конфиденциальности (данные

передаваемые между компьютерами одной физической среды оказываются

недоступными компьютерам других сетей)

Для построения объединенных сетей требуются специальные устройства

которые позволяют подключать к себе две (или более) сети Наиболее

простым устройством такого вида является мост (bridge)

Мост

- 39 -

Принцип функционирования моста достаточно прост для подключения сетей

мост располагает несколькими портами с каждым из которых связываются

записи так называемой адресной таблицы содержащей список адресов

компьютеров сетей подключенных к мосту Когда мост получает кадр

данных то он передает его в сеть через порт который согласно таблице

соответствует адресу получателя В случае если адрес получателя не

обнаружен в адресной таблице то кадр передается во все сети Адресные

таблицы мостов как правило строятся на основе анализа кадров

передаваемых по сетям

Функции сетевого уровня

Сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе

различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне

достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети

но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети

с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это

объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

адресации определенных различными технологиями Поэтому для

обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства

представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую

абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых

технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого

уровня модели OSI

Очевидно что устройства этого уровня предназначенные для объединения

сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального

уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную

передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть

определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку

составной сети Процесс определения пути прохождения данных через

подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства

объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название

маршрутизаторов

- 40 -

Протокол IP

Протокол IP (Internet Protocol) входит в состав стека протоколов TCPIP и

является основным протоколом сетевого уровня использующимся в

Интернет и обеспечивающим единую схему логической адресации устройств

в сети и маршрутизацию данных

Для выполнения своих функций протокол определяет свой собственный

формат пакета Основными информационными полями заголовка пакета

являются

IP-адреса отправителя и получателя ndash предназначены для

идентификации отправителя и получателя (см IP-адресация)

Время жизни пакета (Time To Live TTL) - определяет время которое

IP-пакет может находиться в сети и предназначено для

предотвращения захламления сети заблудившимися пакетами

поля предназначенные для фрагментации пакетов (см IP-

фрагментация)

поля предназначенные для управления обработкой пакета (длина

пакета и заголовка контрольная сумма заголовка тип обслуживания и

тд)

Существует 5 классов IP-адресов ndash A B C D E Принадлежность IP-

адреса к тому или иному классу определяется значением первого

октета (W) Ниже показано соответствие значений первого октета и

классов адресов

Класс IP-адреса A B C D E

Диапазон первого

октета

1-

126

128-

191

192-

223

224-

239

240-

247

IP-адреса первых трех классов предназначены для адресации

отдельных узлов и отдельных сетей Такие адреса состоят из двух

частей ndash номера сети и номера узла Такая схема аналогична схеме

почтовых индексов ndash первые три цифры кодируют регион а остальные

ndash почтовое отделение внутри региона

Преимущества двухуровневой схемы очевидны она позволяет во-

первых адресовать целиком отдельные сети внутри составной сети

что необходимо для обеспечения маршрутизации а во-вторых ndash

присваивать узлам номера внутри одной сети независимо от других

сетей Естественно что компьютеры входящие в одну и ту же сеть

должны иметь IP-адреса с одинаковым номером сети

- 41 -

IP-Маршрутизация ndash процесс выбора пути для передачи пакета в сети Под

путем (маршрутом) понимается последовательность маршрутизаторов через

которые проходит пакет по пути к узлу-назначению IP-маршрутизатор ndash это

специальное устройство предназначенное для объединения сетей и

обеспечивающее определение пути прохождения пакетов в составной сети

Маршрутизатор должен иметь несколько IP-адресов с номерами сетей

соответствующими номерам объединяемых сетей

Как известно для разных сетевых технологий значение MTU определенное

для кадров данных может отличаться Поэтому при преобразовании кадров

на маршрутизаторе может потребоваться разделение вложенных в них IP-

пакетов на более мелкие пакеты

Для разделения пакетов на фрагменты модуль IP установленный на

маршрутизаторе создает на его основе некоторое число новых пакетов (в

соответствии с длиной исходного пакета и значения MTU для сети куда

должны быть переданы данные) Для того чтобы данные могли быть

правильно собраны получателем в заголовки новых IP-пакетов помещается

специальный числовой идентификатор позволяющий однозначно

определить что эти пакеты являются фрагментами одного большого пакета

Кроме того в заголовках также указывается положения фрагментов в

исходном пакете что позволяет обеспечить правильный порядок сборки

получателем

Вспомогательные протоколы сетевого уровня стека TCPIP

Главными функциями протокола IP является обеспечение единой схемы

адресации независимой от принципов адресации определяемых сетевыми

технологиями (адресацией канального уровня) а также передача данных по

составной сети (маршрутизация и фрагментация пакетов) Однако для

организации реального взаимодействия этого оказывается недостаточно -

существует еще ряд проблем

Первая проблема состоит в следующем Для того чтобы передать данные по

сети программное обеспечение протокола IP создает пакет и передает его

средствам канального уровня При этом средствам канального уровня для

формирования кадра данных необходим адрес получателя причем не

логический IP-адрес а MAC-адрес который может быть правильно опознан

сетевым адаптером принимающего компьютера Однако спецификацией

протокола IP не предусмотрен механизм позволяющий определять

соответствие между аппаратными и IP-адресами Эту функцию выполняет

вспомогательный протокол сетевого уровня ARP (Address Resolution

Protocol) входящий в семейство протоколов TCPIP

- 42 -

Другая серьезная проблема состоит в том что если при обработке IP-пакета

на маршрутизаторе возникли какие-то проблемы например истекло время

жизни пакета то отправитель о них не узнает поскольку механизм

обратной связи также не предусмотрен спецификацией протокола IP Для

решения этой проблемы используется специальный протокол сетевого

уровня ICMP (Internet Control Message Protocol) входящий в стек протоколов

TCPIP и обеспечивающий передачу управляющей информации и

информации об ошибках

В семействе протоколов TCPIP предусмотрен также ряд других

вспомогательных протоколов например протоколы динамической

маршрутизации обеспечивающие обмен информацией между

маршрутизаторами с целью автоматизации построения таблиц

маршрутизации

Транспортный уровень

Функции транспортного уровня

Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных между

устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд)

Однако не следует забывать что на одном узле может функционировать

параллельно несколько программ которым требуется доступ к сети

Следовательно данные внутри компьютерной системы должны

распределяться между программами Поэтому при передаче данных по сети

недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо также

идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является

отсутствие средств позволяющих передавать большие массивы данных

Когда исходные данные превышают максимально допустимый размер пакета

сетевого уровня то эти данные должны быть разбиты на порции каждая из

которых передается в сеть отдельным пакетом Однако каждый пакет

сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других блок

данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и

следовательно ndash обнаружить нарушение целостности общего массива

данных Поэтому средства транспортного уровня обеспечивают отсутствие

потерь информации Такой режим передачи данных получил название

гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой

- 43 -

функциональную надстройку над сетевым уровнем и решают две основных

задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

обеспечение гарантированной доставки массивов данных

произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash

UDP обеспечивающий негарантированную доставку данных между

программами и TCP обеспечивающий гарантированную доставку с

установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной

уровень

Компоненты четырех нижних уровней модели OSI (физического канального

сетевого и транспортного) представляют собой механизм обеспечивающий

доставку данных любого типа и произвольного объема между программами

работающими на разных узлах составной сети Однако при работе в сети

пользователям требуется не просто пересылка данных а выполнение каких-

либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех

возможностей которые предоставляют средства нижних уровней

недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо

просмотреть документ расположенный не на его локальном компьютере а

на удаленной машине Решение такой задачи предполагает как минимум

прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса

содержащего имя документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного

компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной

машины изменений вносимых в этот документ другими пользователями и

уведомление об этом пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав

пользователя на работу с документом что предполагает дополнительный

- 44 -

обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних

уровней не имеют средств позволяющих реализовать специфику такого

взаимодействия Поэтому для его организации требуются дополнительные

надстройки над средствами транспортного и нижележащих уровней В

эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный уровень

уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или

сессии) при длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое

(виртуальное) соединение между двумя программами в общем случае

функционирующими на разных компьютерах В простейшем случае

установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти

необходимых для приема и передачи данных После окончания передачи

данных происходит закрытие соединения предполагающее освобождение

выделенных ресурсов Во многих случаях этого недостаточно поэтому

сессионный уровень предлагает более сложные механизмы для организации

сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая

поддержка осуществляется путем периодической отправки специальных

тестовых пакетов при получении которых участник соединения должен

ответить Возвращаясь к предложенному выше примеру следует отметить

что установление соединения при работе с удаленным документом позволяет

один раз перед началом работы проверить права доступа пользователя а

также один раз передать запрос с именем файла В случае если бы

соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог

бы уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться

дополнительное преобразование Например это необходимо в случае если

взаимодействующие программы используют различные способы кодировки

текстовой информации или если для обеспечения защиты информации

требуется осуществлять шифрование данных Обеспечение подобных

промежуточных преобразований возложено на уровень представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными

уровнями Они позволяют осуществлять работу с различными

информационными ресурсами сети например файлами или сообщениями

электронной почты Естественно что различные типы ресурсов в общем

случае требуют различных методов обработки и в том числе методов

сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI

- 45 -

является прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции

работы с конкретными информационными объектами В предложенном выше

примере (чтение удаленного документа) к функциям прикладного протокола

относятся формирование запросов на получение документа проверка прав

доступа а также определение порядка пересылки файлов и уведомлений об

изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами

определяемых протоколами прикладного уровня часть функций сессионного

уровня и уровня представления может оказаться избыточной поэтому при

программной реализации три верхних уровня обычно объединяются

Page 6: - 3 - ВВЕДЕНИЕicm.muctr.ru/study/computers/inf001.pdf · 2016-08-25 · - 7 - А) Количество информации как мера уменьшения неопределенности

- 8 -

или из показательного уравнения N = 2I

Единицы измерения количества информации За единицу количества информации принят 1 бит - количество информации содержащееся в сообщении уменьшающем неопределенность знаний в два раза Принята следующая система единиц измерения количества информации 1байт=8бит 1Кбайт=210байт 1Мбайт=210Кбайт=220байт 1Гбайт=210Мбайт=20Кбайт=230байт Пример После экзамена по информатике который сдавали ваши друзья объявляются оценки (2 3 4 или 5) Какое количество информации будет нести сообщение об оценке учащегося A который выучил лишь половину билетов и сообщение об оценке учащегося B который выучил все билеты Опыт показывает что для учащегося A все четыре оценки (события) равновероятны и тогда количество информации которое несет сообщение об оценке можно вычислить по формуле 22 I=log24=2бит На основании опыта можно также предположить что для учащегося B наиболее вероятной оценкой является 5 (p1 = 12) вероятность оценки 4 в два раза меньше (p2 = 14) а вероятности оценок 2 и 3 еще в два раза меньше (p3 = p4 = 18) Так как события неравновероятны воспользуемся для подсчета количества информации в сообщении формулой 21 I = -(12middotlog212 + 14middotlog214 + 18middotlog218 + 18middotlog218) бит = 175 бит Вычисления показали что при равновероятных событиях мы получаем большее количество информации чем при неравновероятных событиях

Алфавитный подход к измерению информации позволяет определить

количество информации заключенной тексте Алфавитный подход является

объективным те он не зависит от субъекта (человека) воспринимающего текст

Множество символов используемых при записи текста называется алфавитом

Полное количество символов в алфавите называется мощностью (размером)

алфавита Если допустить что все символы алфавита встречаются в тексте с

- 9 -

одинаковой частотой (равновероятно) то количество информации которое несет

каждый символ вычисляется по формуле

i = log2N где N mdash мощность алфавита Следовательно в 2-х

символьном алфавите каждый символ ―весит 1 бит (log22 = 1) в 4-х символьном

алфавите каждый символ несет 2 бита информации (log24 = 2) в 8-ми символьном mdash

3 бита (log2= 3) и тд Один символ из алфавита мощностью 256 (28) несет в тексте 8

бит информации Такое количество информации называется байт Алфавит из 256

символов используется для представления текстов в компьютере 1 байт = 8 бит

Если весь текст состоит из К символов то при алфавитном подходе размер

содержащейся в нем информации равен

I = К х i где i mdash информационный вес одного символа в используемом

алфавите

Информационный объем сообщения (информационная емкость

сообщения) ndash количество информации в сообщении измеренное в битах байтах или

производных единицах (Кбайтах Мбайтах и т д) Пример 1 Книга набранная с

помощью компьютера содержит 150 страниц на каждой странице mdash 40 строк b в

каждой строке mdash 60 символов Каков объем информации в книге

Решение Мощность компьютерного алфавита равна 256 Один символ несет 1 байт

информации Значит страница содержит 40 х 60 = 2400 байт информации Объем

всей информации в книге (в разных единицах)2400 х 150 == 360 000 байт

3600001024 = 3515625 Кбайт 35156251024 = 034332275 Мбайт

- 10 -

Глава 2 АРХИТЕКТУРА ЭВМ

21 История развития средств вычислительной техники ndash пять

поколений ЭВМ

22 Блок- схема ЭВМ (блок-схема по Нейману)

23 Блок- схема ПК Принцип открытой архитектуры

24 Характеристики вычислительных систем

25 Центральный процессор и микропроцессор

26 Системная плата

27 Внутренняя и внешняя память

210 Устройства ввода-вывода данных

Структура ЭВМ фон Неймана

Код

операции

Признаки

Команды

Операнды

Результаты

Исходные

данные

Программа

УВВ

ОЗУ

ВЗУ

АЛУ

УУ

Результаты

Адреса

- 11 -

bull Принципы Джон фон Неймана 1) принцип программного управления (программа состоит из набора команд которые выполняются процессором друг за другом в определенной последовательности) 2) принцип однородности памяти (программы и данные хранятся в одной и той же памяти) 3) принцип адресности (ОП состоит из пронумерованных ячеек и процессору в любой момент времени доступна любая ячейка)

- 12 -

Поколения ЭВМ

1На основе электронных ламп

2На основе электронных ламп и

дискретных транзисторных

логических элементов

3Семейства машин с единой

архитектурой

интегральные схемы

4Проектировались в расчете на

эффективное использование

современных высокоуровневых

языков

Поколения ЭВМ

1На основе электронных ламп

2На основе электронных ламп и

дискретных транзисторных

логических элементов

3Семейства машин с единой

архитектурой

интегральные схемы

4Проектировались в расчете на

эффективное использование

современных высокоуровневых

языков

- 13 -

Т

Основы построения ЭВМ

bull Принципы функционирования

универсальных вычислительных

устройств

bull 1 Принцип программного управления

bull 2 Принцип однородности памяти

bull 3 Принцип адресности

Поколения ЭВМ

- 14 -

Языки

сверхвысокого

Уровня

Сенсорные

Устройства

Оптические

диски

ДоскаСверхбольшие

Интегральные

схемы

90-нв5

Языки высокого

уровня

Интерактивные

устройства

ВинчестерыСтолБольшие

интеграль

ные

схемы

(БИС)

70ndash804

Алгоритмические

языки

ДисплеиМагнитные

диски

ШкафИнтегральные

схемы (ИС)

60ndash703

Автокоды

(ассемблер)

ТелетайпыМагнитные

ленты

КомнатаТранзисторы50ndash602

Машинные

языки

ПерфораторыМагнитный

барабан

Машинный

зал

Лампы40ndash501

ЯзыкиInoutНакопителиГабаритыЭлементыГодыПоколение

Глава 3 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

31 Развитие программного обеспечения

32Состав Microsoft Office

33 История языков программирования

Microsoft Word (часто mdash MS Word WinWord или просто Word) mdash это текстовый

процессор предназначенный для создания просмотра и редактирования текстовых

документов с локальным применением простейших форм таблично-матричных

алгоритмов Текстовый процессор выпускается корпорацией Microsoft в составе

пакета Microsoft Office Первая версия была написана Ричардом Броди (Richard

Brodie) для IBM PC использующих DOS в 1983 году Позднее выпускались версии

для Apple Macintosh (1984) SCO UNIX и Microsoft Windows (1989)

Microsoft Word многим обязан Bravo mdash текстовому процессору с оригинальным

графическим интерфейсом разработанному в исследовательском центре laquoXerox

PARCraquo Создатель Bravo Чарльз Симони (Charles Simonyi) покинул PARC в 1981

году Тем же летом Симони переманил Броди с которым вместе работал над Bravo

Первый выпуск Word для MS-DOS состоялся в конце 1983 года Он был плохо принят

рынком продажи снижало наличие конкурирующего продукта mdash WordPerfect

Однако версия для Макинтоша выпущенная в 1985 году получила широкое

распространение Через два года laquoWord 301 для Macintoshraquo усилил позиции (версия 30

изобиловала ошибками и быстро была заменена) Как и прочее программное обеспечение

для Макинтоша Word был полностью WYSIWYG-редактором (принцип laquoWhat You See Is

What You Getraquo mdash laquoполучаю то что вижуraquo)

- 15 -

Хотя MS-DOS и являлась текстовой операционной системой лишѐнной графической

оболочки Word для DOS был первым текстовым процессором для IBM PC который был

способен отображать разметку текста например полужирный или курсивный текст в

процессе редактирования Однако он всѐ же не являлся в полном смысле WYSIWYG-

редактором Другие же текстовые процессоры такие как WordStar и WordPerfect

использовали простой текстовый экран с кодами разметки иногда текст был цветным

Однако поскольку в большинстве программного обеспечения под DOS применялись

собственные труднозапоминаемые комбинации laquoгорячих клавишraquo для каждой команды

(например в Wordrsquoе для DOS сохранение файла выполнялось по комбинации ESC-T-S) и

большинство секретарей умели пользоваться только WordPerfect компании весьма

неохотно переходили на конкурирующие с ним продукты имеющие сравнительно

небольшие преимущества

Первая версия Word для Windows выпущенная в 1989 году продавалась по цене 500

долларов США Она демонстрировала выбранный компанией Майкрософт путь развития

как и сама Windows она многое взяла от Macintosh и использовала стандартные

клавиатурные сокращения (например CTRL-S для сохранения файла) После выпуска в

следующем году Windows 30 продажи поползли вверх (Word 10 гораздо лучше работал с

Windows 30 чем с более старыми версиями Windows386 и Windows286) главный

конкурент mdash WordPerfect mdash не смог выпустить рабочую версию под Windows что

оказалось для него смертельной ошибкой Версия 20 утвердила WinWord на позиции

лидера рынка

У Word для Macintosh никогда не было серьѐзных конкурентов даже несмотря на наличие

программ вроде Nisus предоставлявшую возможность выделения нескольких несвязных

кусков текста (появившуюся только в Word 2002 из Office XP) и несмотря на мнение

многих пользователей об отсутствии кардинальных различий между версиями 301

выпущенной в 1987 году и версией 50 выпущенной в 1991 Однако версия 60 для

Macintosh вышедшая в 1994 году была многими воспринята довольно скептически Это

была первая версия без значительных отличий в коде ядра между версиями под Windows и

под Mac Версия под Windows следовавшая за 20 была пронумерована как 60 для

координации названия версий под разные платформы

Последовавшие версии добавляли возможности выходящие за рамки простого текстового

процессора Инструменты рисования позволяли выполнять примитивные операции

вѐрстки такие как добавление графики в документ хотя естественно

специализированные программы для вѐрстки лучше справляются с этими задачами

Внедрение объектов сравнение версий документа мультиязычная поддержка и многие

другие возможности были добавлены за последовавшие несколько лет

Microsoft Word является наиболее популярным из используемых в данный момент

текстовых процессоров что сделало его бинарный формат документа стандартом де-

факто и многие конкурирующие программы имеют поддержку совместимости с данным

форматом Расширение laquodocraquo на платформе IBM PC стало синонимом двоичного формата

Word 97mdash2000 Фильтры экспорта и импорта в данный формат присутствуют в

большинстве текстовых процессоровФормат документа разных версий Word меняется

различия бывают довольно тонкими Форматирование нормально выглядящее в

последней версии может не отображаться в старых версиях программы однако есть

ограниченная возможность сохранения документа с потерей части форматирования для

открытия в старых версиях продукта Последняя версия MS Word 2007 использует по

умолчанию формат основанный на XML - Microsoft Office Open XML Спецификация

- 16 -

форматов файлов Word 97-2007 были опубликован Microsoft в 2008 году[1][2]

Ранее

большая часть информации нужной для работы с данным форматом добывалась

посредством обратного инжиниринга поскольку основная еѐ часть отсутствовала в

открытом доступе или была доступна лишь ограниченному числу партнеров и

контролирующих организаций

Как и прочие приложения из Microsoft Office Word может расширять свои возможности

посредством использования встроенного макроязыка (сначала использовался WordBasic с

версии Word 97 применяется VBA mdash Visual Basic для приложений) Однако это

предоставляет широкие возможности для написания встраиваемых в документы вирусов

(так называемые laquoмакровирусыraquo) Наиболее ярким примером была эпидемия червя

Melissa В связи с этим многие считают разумной рекомендацию всегда выставлять

наивысший уровень настроек безопасности при использовании Word (Меню

laquoToolsgtMacrogtSecurityraquo laquoСервисgtМакросgtБезопасностьhellipraquo в локализованных русских

версиях) Также нелишним будет использовать антивирусное программное обеспечение

Первым вирусом заражавшим документы Microsoft Word был DMV созданный в декабре

1994 года Дж МакНамарой для демонстрации возможности создания макровирусов

Первым же вирусом попавшим в дикую природу и вызвавшим первую в мире

эпидемию макровирусов (это произошло в июле-августе 1995 г) был Concept

12 августа 2009 года суд штата Техас запретил продажу программы Word на территории

США в связи с тем что Microsoft незаконно использует метод чтения XML-файлов

патент на который принадлежит канадской компании i4i [3]

В 1982 году Microsoft запустила на рынок первый электронный табличный процессор

Multiplan который был очень популярен на CPM системах но на MS-DOS системах он

уступал Lotus 1-2-3 Первая версия Excel предназначалась для Mac и была выпущена в

1985 году а первая версия для Windows была выпущена в ноябре 1987 года Lotus не

торопилась выпускать 1-2-3 под Windows и Excel с 1988 года начала обходить по

продажам 1-2-3 что в конечном итоге помогло Microsoft достичь позиций ведущего

разработчика программного обеспечения Microsoft укрепляла свое преимущество с

выпуском каждой новой версии что имело место примерно каждые два года Текущая

версия для платформы Windows mdash Excel 12 также известная как Microsoft Office Excel

2007 Текущая версия для платформы Mac OS X mdash Microsoft Excel 2008

В начале своего пути Excel стал причиной иска о товарном знаке от другой компании уже

продававшей пакет программ под названием laquoExcelraquo В результате спора Microsoft был

обязана использовать название laquoMicrosoft Excelraquo во всех своих официальных пресс-

релизах и юридических документах Однако со временем эта практика была позабыта и

Microsoft окончательно устранила проблему приобретя товарный знак другой программы

Microsoft также решила использовать буквы XL как сокращенное название программы

иконка Windows-программы состоит из стилизованного изображения этих двух букв а

расширение файлов по умолчанию в Excel mdash xls В сравнении с первыми табличными

процессорами Excel представляет множество новых функций пользовательского

интерфейса но суть остается прежней как и в программе-родоначальнике VisiCalc

ячейки расставляются в строки и столбцы и могут содержать данные или формулы с

относительными или абсолютными ссылками на другие клетки

Excel был первым табличным процессором позволявшим пользователю менять внешний

вид таблицы (шрифты символы и внешний вид ячеек) Он также первым представил

метод умного пересчета ячеек когда обновляются только те ячейки которые зависят от

- 17 -

измененных ячеек (раньше табличные процессоры либо постоянно пересчитывали все

ячейки или ждали команды пользователя)

Будучи впервые объединенными в Microsoft Office в 1993 году Microsoft Word и Microsoft

PowerPoint получили новый графический интерфейс для соответствия Excel главного

стимула модернизации ПК в то время

Начиная с 1993 года в состав Excel входит Visual Basic для приложений (VBA) язык

программирования основанный на Visual Basic позволяющий автоматизировать задачи

Excel VBA является мощным дополнением к приложению и в более поздних версиях

Excel доступна полнофункциональная интегрированная среда разработки Можно создать

VBA-код повторяющий действия пользователя и таким образом автоматизировать

простые задачи VBA позволяет создавать формы для общения с пользователем Язык

поддерживает использование (но не создание) DLL от ActiveX более поздние версии

позволяют использовать элементы объектно-ориентированного программирования

Функциональность VBA делала Excel легкой мишенью для макровирусов И это было

серьезной проблемой до тех пор пока антивирусные продукты не научились

обнаруживать их Фирма Microsoft с опозданием приняв меры для уменьшения риска

добавила возможность выбора режима безопасности

Идея PowerPoint появилась у Боба Гаскинса (Bob Gaskins) студента университета Беркли

который решил что наступает век графических интерактивных материалов В 1984 году

Гаскинс присоединился к провальной компании Forethought и нанял разработчика

Денниса Остина (Dennis Austin) Боб и Деннис объединили усилия и создали программу

Presenter Деннис создал оригинальную версию программы с Томом Рудкиным (Tom

Rudkin) Позже Боб решил сменить имя на PowerPoint которое и стало названием

конечного продукта

В 1987 году вышел PowerPoint 10 для Apple Macintosh Он работал в черно-белом цвете

Вскоре появились цветные Macintosh и новая версия PowerPoint не заставила себя ждать

Программное руководство с первой редакцией было уникально Это была книга синего

цвета в твердом переплете Компания Forethought считала что это лучше чем куча

исполняемых файлов помощи на компьютере и инструкций в электронном виде Но

обновление инструкции было необоснованно дорого Идея с подобными книгами была

вскоре заброшена

Позже в 1987 году Forethought и ее продукт были куплены Microsoft за 14 млн $ В 1990

году вышла версия для Windows C 1990 года PowerPoint стал стандартом в наборе

программ Microsoft Office

В 2002 году вышла версия PowerPoint которая не только была включена в пакет Microsoft

Office XP но также распространялась как отдельный продукт В нем появились такие

функции как сравнение и смешение изменений в презентации возможность задавать пути

анимации для индивидуальных форм создание пирамидальных радиальных и целевых

диаграмм а также кругов Эйлера панель задач для просмотра и выбора объектов буфера

обмена защита презентации паролем автоматическая генерация фотоальбома а также

―умные теги для быстрого выбора формата текста скопированного в презентацию

Microsoft PowerPoint 2003 не сильно отличается от предшественника Он увеличивает

эффективность работы в группе и теперь имеет возможность создания ―Пакета для CD

- 18 -

который легко позволяет скопировать презентацию с мультимедийным содержанием и

просмотрщик на компакт диск

Текущая версия Power Point 2007 привносит основные изменения в интерфейс программы

и увеличивает графические возможности

PowerPoint является частью Microsoft Office Это позволило PowerPoint стать наиболее

распространенной во всем мире программой для создания презентаций Файлы

презентаций PowerPoint часто пересылаются пользователями программы на другие

компьютеры что означает необходимую совместимость с ними программ конкурентов

Однако поскольку Power Point имеет возможность подключения элементов других

приложений через OLE некоторые презентации становятся сильно привязанными к

платформе Windows что делает невозможным открытие данных файлов например в

версии для Mac OS Это привело к переходу на открытые стандарты такие как PDF и

OASIS OpenDocument

Глава 4 АЛГОРИТМИЗАЦИЯ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

41 Структурный подход к разработке алгоритмов и программ

42 Основные структуры и операторы VBA

43 Примеры на VBA

- 19 -

Глава 5ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ

Компьютерные сети

Понятие компьютерной сети

Компьютерная сеть (Computer Network) ndash это множество компьютеров соединенных

линиями связи и работающих под управлением специального программного обеспечения

Под линией связи обычно понимают совокупность технических устройств и

физической среды обеспечивающих передачу сигналов от передатчика к приемнику В

реальной жизни примерами линий связи могут служить участки кабеля и усилители

обеспечивающие передачу сигналов между коммутаторами телефонной сети На основе

линий связи строятся каналы связи

Каналом связи обычно называют систему технических устройств и линий связи

обеспечивающую передачу информации между абонентами Соотношение между

понятиями канал и линия описывается следующим образом канал связи может

включать в себя несколько разнородных линий связи а одна линия связи может

использоваться несколькими каналами

Главной целью объединения компьютеров в сеть является предоставление пользователям

возможности доступа к различным информационным ресурсам (например документам

программам базам данных и тд) распределенным по этим компьютерам и их

совместного использования

Важной характеристикой любой компьютерной сети является широта территории

которую она охватывает Широта охвата определятся взаимной удаленностью

компьютеров составляющих сеть и следовательно влияет на технологические решения

выбираемые при построении сети Классически выделяют два типа сетей локальные сети

и глобальные сети

К локальным сетям (Local Area Network LAN) обычно относят сети компьютеры

которых сосредоточены на относительно небольших территориях (как правило в радиусе

до 1-2 км) Классическим примером локальных сетей является сеть одного предприятия

расположенного в одном или нескольких стоящих рядом зданиях Небольшой размер

локальных сетей позволяет использовать для их построения достаточно дорогие и

высококачественные технологии что обеспечивает высокую скорость обмена

информацией между компьютерами

Глобальные сети (Wide Area Network WAN) ndash это сети предназначенные для

объединения отдельных компьютеров и локальных сетей расположенных на

значительном удалении (сотни и тысячи километров) друг от друга Поскольку

организация специализированных высококачественных каналов связи большой

протяженности является достаточно дорогой то в глобальных сетях нередко

используются уже существующие и изначально не предназначенные для построения

компьютерных сетей линии (например телефонные или телеграфные) В связи с этим

скорость передачи данных в таких сетях существенно ниже чем в локальных

Независимо от того какую территорию покрывает сеть какие технологические решения

лежат в основе ее организации существуют общие принципы сетевого взаимодействия

которым должно подчиняться функционирование сети Именно выработка таких общих

- 20 -

принципов способствовала в свое время появлению Интернет (Internet) как объединенной

сети (иногда даже используется термин гиперсеть) собравшей в своем составе

локальные городские и глобальные сети всей планеты

Модель сетевого взаимодействия

В 1984 году Международной Организацией по Стандартизации (International Standard

Organization ISO) была разработана модель взаимодействия открытых систем (Open

Systems Interconnection OSI) Модель представляет собой международный стандарт для

проектирования сетевых коммуникаций и предполагает уровневый подход к построению

сетей Каждый уровень модели обслуживает различные этапы процесса взаимодействия

Посредством деления на уровни сетевая модель OSI упрощает совместную работу

оборудования и программного обеспечения Модель OSI разделяет сетевые функции на

семь уровней прикладной уровень представления сессионный транспортный сетевой

канальный и физический

Физический уровень (Physical layer) определяет способ физического соединения

компьютеров в сети Функциями средств относящихся к данному уровню являются

побитовое преобразование цифровых данных в сигналы передаваемые по физической

среде (например по кабелю) а также собственно передача сигналов

Канальный уровень(Data Link layer) отвечает за организацию передачи данных между

абонентами через физический уровень поэтому на данном уровне предусмотрены

средства адресации позволяющие однозначно идентифицировать отправителя и

получателя во всем множестве абонентов подключенных к обще линии связи В функции

данного уровня также входит упорядочивание передачи с целью параллельного

использования одной линии связи несколькими парами абонентов Кроме того средства

канального уровня обеспечивают проверку ошибок которые могут возникать при

передаче данных физическим уровнем

Сетевой уровень(Network layer) обеспечивает доставку данных между компьютерами

сети представляющей собой объединение различных физических сетей Данный уровень

предполагает наличие средств логической адресации позволяющих однозначно

- 21 -

идентифицировать компьютер в объединенной сети Одной из главных функций

выполняемых средствами данного уровня является целенаправленная передача данных

конкретному получателю

Транспортный уровень(Transport layer) реализует передачу данных между двумя

программами функционирующими на разных компьютерах обеспечивая при этом

отсутствие потерь и дублирования информации которые могут возникать в результате

ошибок передачи нижних уровней В случае если данные передаваемые через

транспортный уровень подвергаются фрагментации то средства данного уровня

гарантируют сборку фрагментов в правильном порядке

Сессионный (или сеансовый) уровень (Session layer) позволяет двум программам

поддерживать продолжительное взаимодействие по сети называемое сессией (session)

или сеансом Этот уровень управляет установлением сеанса обменом информацией и

завершением сеанса Он также отвечает за идентификацию позволяя тем самым только

определенным абонентам принимать участие в сеансе и обеспечивает работу служб

безопасности с целью упорядочивания доступа к информации сессии

Уровень представления(Presentation layer) осуществляет промежуточное

преобразование данных исходящего сообщения в общий формат который предусмотрен

средствами нижних уровней а также обратное преобразование входящих данных из

общего формата в формат понятный получающей программе

Основные принципы уровневого взаимодействия

При уровневой организации процесса взаимодействия должны соблюдаться следующие

требования

компоненты одного уровня одной системы могут взаимодействовать с

компонентами только того же уровня другой системы

в рамках одной системы компоненты какого-либо уровня могут взаимодействовать

только с компонентами смежных (вышележащего и нижележащего) уровней

Набор правил определяющих порядок взаимодействия средств относящихся к одному и

тому же уровню и функционирующих в разных системах называется протоколом

(protocol) Правила взаимодействия между собой средств относящихся к смежным

уровням и функционирующих в одной системе называются интерфейсом (interface)

Функции физического уровня

Физический уровень определяет способ физического соединения компьютеров в сети

Основными функциями средств относящихся к данному уровню является побитовое

преобразование цифровых данных в сигналы среды передачи а также собственно

передача сигналов по физической среде

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно распространение

информационных сигналов в виде электрических световых и тп импульсов В настоящее

время выделяют два основных типа физических соединений соединения с помощью

кабеля и беспроводные соединения

- 22 -

Кабель (cable) используемый для построения компьютерных сетей представляет собой

сложную конструкцию состоящую в общем случае из проводников изолирующих и

экранирующих слоев В современных сетях используются три типа кабеля

Каждый тип кабеля отличается от других внутренним устройством и обладает целым

набором технических характеристик влияющих на основные потребительские параметры

сетей

Тип кабеля Характеристика

Максимальное

расстояние передачи

Максимальная

скорость передачи

Коаксиальный

кабель 185 ndash 500 м 10 Мбитс

Витая пара 30 ndash 100 м 10 Мбитс ndash 1

Гбитс

Оптоволоконный

кабель 2 км

10 Мбитс ndash 2

Гбитс

Топология сети - способ соединения компьютеров с помощью физической среды

Если сеть состоит всего из двух компьютеров то они соединяются напрямую Такой

способ соединения получил название точка-точка (point-to-point)

Выделяют три базовые топологии Шина (bus) Кольцо (ring) Звезда(star)

laquoШинаraquo - использует один передающий канал на базе коаксиального кабеля называемый

шиной Все сетевые компьютеры присоединяются напрямую к шине На концах кабеля-

шины устанавливаются специальные заглушки - терминаторы (terminator) Они

необходимы для того чтобы погасить сигнал после прохождения по шине К недостаткам

топологии Шина следует отнести следующее

данные предаваемые по кабелю доступны всем подключенным компьютерам

в случае повреждения шины вся сеть перестает функционировать

laquoКольцоraquo - характерно отсутствие конечных точек соединения сеть замкнута образуя

неразрывное кольцо по которому передаются данные Эта топология подразумевает

следующий механизм передачи данные передаются последовательно от одного

компьютера к другому пока не достигнут компьютера-получателя Недостатки топологии

кольцо те же то и у топологии шина

общедоступность данных

неустойчивость к повреждениям кабельной системы

В сети с топологией звезда все компьютеры соединены со специальным устройством

называемым сетевым концентратором или хабом (hub) который выполняет функции

- 23 -

распределения данных Прямые соединения двух компьютеров в сети отсутствуют

Благодаря этому имеется возможность решения проблемы общедоступности данных а

также повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы Однако

функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора

Канальный уровень - отвечает за организацию передачи данных между абонентами

через физический уровень поэтому на данном уровне предусмотрены средства адресации

позволяющие однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к общему физическому каналу В функции данного

уровня также входит упорядочивание передачи с целью обеспечения возможности

параллельного использования одного физического канала несколькими парами абонентов

Средства канального уровня обеспечивают проверку ошибок которые могут возникать

при передаче данных физическим уровнем Большинство функций канального уровня

выполняются устройствами передачи данных (например сетевым адаптером)

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена способ

представления информации а также необходимый набор правил позволяющий

упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток битов Перед

передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с принципом пакетной

коммутации разделяется на порции каждая из которых снабжается заголовком

содержащим некоторую служебную информацию те формируется пакет На канальном

уровне пакет называется кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает протокол Сложность

канальных протоколов во многом определяется сложностью топологии сети Очевидно

что организовать общение всего двух абонентов существенно проще чем упорядочивать

информационный обмен в сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких

пар абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Сетевой уровень - сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

- 24 -

адресации определенных различными технологиями Поэтому для обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого уровня модели OSI Устройства этого уровня предназначенные для объединения сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку составной сети Процесс определения пути прохождения данных через подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название маршрутизаторов

Транспортный уровень Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных

между устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд) Однако

не следует забывать что на одном узле может функционировать параллельно несколько

программ которым требуется доступ к сети Следовательно данные внутри

компьютерной системы должны распределяться между программами Поэтому при

передаче данных по сети недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо

также идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является отсутствие средств

позволяющих передавать большие массивы данных Когда исходные данные превышают

максимально допустимый размер пакета сетевого уровня то эти данные должны быть

разбиты на порции каждая из которых передается в сеть отдельным пакетом Однако

каждый пакет сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других

блок данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и следовательно ndash

обнаружить нарушение целостности общего массива данных Поэтому средства

транспортного уровня обеспечивают отсутствие потерь информации Такой режим

передачи данных получил название гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой функциональную

надстройку над сетевым уровнем и решают две основных задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

- 25 -

обеспечение гарантированной доставки массивов данных произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash UDP

обеспечивающий негарантированную доставку данных между программами и TCP

обеспечивающий гарантированную доставку с установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной уровень - Компоненты четырех

нижних уровней модели OSI (физического канального сетевого и транспортного)

представляют собой механизм обеспечивающий доставку данных любого типа и

произвольного объема между программами работающими на разных узлах составной

сети Однако при работе в сети пользователям требуется не просто пересылка данных а

выполнение каких-либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех возможностей

которые предоставляют средства нижних уровней недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо просмотреть

документ расположенный не на его локальном компьютере а на удаленной машине

Решение такой задачи предполагает как минимум прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса содержащего имя

документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной машины

изменений вносимых в этот документ другими пользователями и уведомление об этом

пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав пользователя на

работу с документом что предполагает дополнительный обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних уровней не имеют

средств позволяющих реализовать специфику такого взаимодействия Поэтому для его

организации требуются дополнительные надстройки над средствами транспортного и

нижележащих уровней В эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный

уровень уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или сессии) при

длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое (виртуальное) соединение между

двумя программами в общем случае функционирующими на разных компьютерах В

простейшем случае установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти необходимых для

приема и передачи данных После окончания передачи данных происходит закрытие

соединения предполагающее освобождение выделенных ресурсов Во многих случаях

этого недостаточно поэтому сессионный уровень предлагает более сложные механизмы

для организации сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая поддержка

осуществляется путем периодической отправки специальных тестовых пакетов при

получении которых участник соединения должен ответить Возвращаясь к

предложенному выше примеру следует отметить что установление соединения при

работе с удаленным документом позволяет один раз перед началом работы проверить

- 26 -

права доступа пользователя а также один раз передать запрос с именем файла В случае

если бы соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог бы

уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться дополнительное

преобразование Например это необходимо в случае если взаимодействующие

программы используют различные способы кодировки текстовой информации или если

для обеспечения защиты информации требуется осуществлять шифрование данных

Обеспечение подобных промежуточных преобразований возложено на уровень

представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными уровнями Они

позволяют осуществлять работу с различными информационными ресурсами сети

например файлами или сообщениями электронной почты Естественно что различные

типы ресурсов в общем случае требуют различных методов обработки и в том числе

методов сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI является

прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции работы с конкретными

информационными объектами В предложенном выше примере (чтение удаленного

документа) к функциям прикладного протокола относятся формирование запросов на

получение документа проверка прав доступа а также определение порядка пересылки

файлов и уведомлений об изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами определяемых

протоколами прикладного уровня часть функций сессионного уровня и уровня

представления может оказаться избыточной поэтому при программной реализации три

верхних уровня обычно объединяются

Модель сетевого взаимодействия

В 1984 году Международной Организацией по Стандартизации (International

Standard Organization ISO) была разработана модель взаимодействия

открытых систем (Open Systems Interconnection OSI) Модель представляет

собой международный стандарт для проектирования сетевых коммуникаций

и предполагает уровневый подход к построению сетей Каждый уровень

модели обслуживает различные этапы процесса взаимодействия

Посредством деления на уровни сетевая модель OSI упрощает совместную

работу оборудования и программного обеспечения Модель OSI разделяет

сетевые функции на семь уровней прикладной уровень представления

сессионный транспортный сетевой канальный и физический

Ниже дается краткая характеристика уровней модели

Физический уровень (Physical layer) определяет способ физического

соединения компьютеров в сети Функциями средств относящихся к

данному уровню являются побитовое преобразование цифровых

- 27 -

данных в сигналы передаваемые по физической среде (например по

кабелю) а также собственно передача сигналов

Канальный уровень(Data Link layer) отвечает за организацию передачи

данных между абонентами через физический уровень поэтому на

данном уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к обще линии связи В функции

данного уровня также входит упорядочивание передачи с целью

параллельного использования одной линии связи несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем

Сетевой уровень(Network layer) обеспечивает доставку данных между

компьютерами сети представляющей собой объединение различных

физических сетей Данный уровень предполагает наличие средств

логической адресации позволяющих однозначно идентифицировать

компьютер в объединенной сети Одной из главных функций

выполняемых средствами данного уровня является целенаправленная

передача данных конкретному получателю

Транспортный уровень(Transport layer) реализует передачу данных

между двумя программами функционирующими на разных

компьютерах обеспечивая при этом отсутствие потерь и дублирования

информации которые могут возникать в результате ошибок передачи

нижних уровней В случае если данные передаваемые через

транспортный уровень подвергаются фрагментации то средства

данного уровня гарантируют сборку фрагментов в правильном

порядке

Сессионный (или сеансовый) уровень (Session layer) позволяет двум

программам поддерживать продолжительное взаимодействие по сети

называемое сессией (session) или сеансом Этот уровень управляет

установлением сеанса обменом информацией и завершением сеанса

Он также отвечает за идентификацию позволяя тем самым только

определенным абонентам принимать участие в сеансе и обеспечивает

работу служб безопасности с целью упорядочивания доступа к

информации сессии

Уровень представления(Presentation layer) осуществляет

промежуточное преобразование данных исходящего сообщения в

общий формат который предусмотрен средствами нижних уровней а

также обратное преобразование входящих данных из общего формата в

формат понятный получающей программе

Прикладной уровень (Application layer) предоставляет

высокоуровневые функции сетевого взаимодействия такие как

передача файлов отправка сообщений по электронной почте и тп

Основные принципы уровневого взаимодействия

- 28 -

При уровневой организации процесса взаимодействия должны соблюдаться

следующие требования

компоненты одного уровня одной системы могут взаимодействовать с

компонентами только того же уровня другой системы

в рамках одной системы компоненты какого-либо уровня могут

взаимодействовать только с компонентами смежных (вышележащего и

нижележащего) уровней

Порядок уровневого взаимодействия

Набор правил определяющих порядок взаимодействия средств относящихся

к одному и тому же уровню и функционирующих в разных системах

называется протоколом (protocol) Правила взаимодействия между собой

средств относящихся к смежным уровням и функционирующих в одной

системе называются интерфейсом (interface)

Практическая реализация уровневого взаимодействия

На практике протоколы и интерфейсы регламентируют технические

требования предъявляемые к программным и аппаратным средствам

Программные (аппаратные) модули предназначенные для обеспечения

практического взаимодействия определяемого тем или иным протоколом

(или интерфейсом) обычно называют реализацией протокола (или

интерфейса)

Хотя различные компоненты относящиеся к различным уровням сетевой

модели формально должны быть функционально независимыми друг от

друга при практической разработке протоколов такая независимость не

всегда выдерживается Это объясняется тем что попытка добиться точного

соответствия эталонной модели может привести к неэффективности работы

программно-аппаратного обеспечения реализующего протокол В настоящее

время наблюдается два типа отклонений возникающих при реализации

уровневого взаимодействия

- 29 -

функции некоторых уровней могут объединяться одним протоколом и

наоборот ndash функции одного уровня могут делиться между различными

протоколами

функционирование протокола какого-либо уровня подразумевают

использование только определенных протоколов нижележащего

уровня

Поэтому разработка практических методов сетевого взаимодействия как

правило подразумевает разработку не отдельных протоколов а целых

наборов протоколов Такие наборы обычно включают в себя протоколы

относящиеся к нескольким смежным уровням эталонной модели OSI и

называются стеками (или семействами наборами) протоколов (protocol stack

protocol suite) Наиболее известным стеком протоколов обеспечивающим

взаимодействие в сети Интернет является стек протоколов TCPIP

Физический уровень

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Среда передачи

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Физический уровень определяет способ физического соединения

компьютеров в сети Основными функциями средств относящихся к

данному уровню является побитовое преобразование цифровых данных в

сигналы среды передачи а также собственно передача сигналов по

физической среде

Кабельные системы

- 30 -

Кабель (cable) используемый для построения компьютерных сетей

представляет собой сложную конструкцию состоящую в общем случае из

проводников изолирующих и экранирующих слоев В современных сетях

используются три типа кабеля

Еще одним важным понятием физического уровня является способ

соединения компьютеров с помощью физической среды или топология сети

Если сеть состоит всего из двух компьютеров то они соединяются

напрямую Такой способ соединения получил название точка-точка

(point-to-point)

Соединение типа точка-точка

Для обеспечения связи более чем двух компьютеров может использоваться

последовательность соединений типа точка-точка

Последовательность соединений типа точка-точка

Однако такой подход требует установки на большую часть компьютеров

нескольких устройств передачи данных

В качестве альтернативного подхода возможно использование более

сложных топологий позволяющих подключить к общей среде сразу

несколько компьютеров имеющих по одному устройству передачи данных

- 31 -

Выделяют три базовые топологии Шина (bus) Кольцо (ring)

Звезда(star)

Топология laquoШинаraquo

Топология Шина

Эта топология использует один передающий канал на базе коаксиального

кабеля называемый шиной Все сетевые компьютеры присоединяются

напрямую к шине На концах кабеля-шины устанавливаются специальные

заглушки - терминаторы (terminator) Они необходимы для того чтобы

погасить сигнал после прохождения по шине К недостаткам топологии

Шина следует отнести следующее

данные предаваемые по кабелю доступны всем подключенным

компьютерам

в случае повреждения шины вся сеть перестает функционировать

Топология laquoКольцоraquo

Топология Кольцо

Для топологии кольцо характерно отсутствие конечных точек соединения

сеть замкнута образуя неразрывное кольцо по которому передаются данные

Эта топология подразумевает следующий механизм передачи данные

передаются последовательно от одного компьютера к другому пока не

- 32 -

достигнут компьютера-получателя Недостатки топологии кольцо те же то

и у топологии шина

общедоступность данных

неустойчивость к повреждениям кабельной системы

Топология laquoЗвездаraquo

Топология Звезда

В сети с топологией звезда все компьютеры соединены со специальным

устройством называемым сетевым концентратором или хабом (hub)

который выполняет функции распределения данных Прямые соединения

двух компьютеров в сети отсутствуют Благодаря этому имеется

возможность решения проблемы общедоступности данных а также

повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы Однако

функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора

Физическая и логическая топологии

Следует отметить что термин топология может употребляться для

обозначения двух понятий ndash физической топологии и логической топологии

Физическая топология ndash способ физического соединения компьютеров с

помощью среды передачи например участками кабеля Логическая

топология определяет маршруты передачи данных в сети Во многих

случаях физическая топология однозначно определяет логическую

топологию Однако существуют такие конфигурации в которых логическая

топология отличается от физической Например сеть с физической

- 33 -

топологией laquoзвездаraquo может иметь логическую топологию laquoшинаraquo ndash все

зависит от того каким образом устроен сетевой концентратор

Кодированиедекодирование данных Как известно данные обрабатываемые

компьютером представляются в двоичном виде - как последовательность

нулей и единиц Однако понятия нуль и единица являются логическими

понятиями обозначающими электрические сигналы отличающиеся друг от

друга физическими параметрами и использующиеся для представления

информации в различных устройствах например оперативной памяти или

центральном процессоре В силу различных технических причин эти сигналы

не всегда могут передаваться по физическим каналам связи Поэтому они

должны быть преобразованы Процесс преобразования сигналов удобных

для компьютера в сигналы которые могут быть переданы по сети

называется физическим кодированием а обратное преобразование -

декодированием

Передача сигналов Информационные сигналы передаются по физическим

линиям связи последовательно В случае если между передающей и

принимающей сторонами параллельно существуют более одной линии

например проложено несколько кабелей то оказывается возможным

одновременно (параллельно) передавать несколько сигналов Если эти

сигналы представляют различные биты передаваемых данных то

повышается скорость информационного обмена Если же сигналы

представляют один и тот же бит данных - то повышается надежность

взаимодействия

Канальный уровень

Канальный уровень отвечает за организацию передачи данных

между абонентами через физический уровень поэтому на данном

уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к общему физическому

каналу В функции данного уровня также входит упорядочивание

передачи с целью обеспечения возможности параллельного

использования одного физического канала несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем Большинство функций канального уровня

выполняются устройствами передачи данных (например сетевым

- 34 -

адаптером)

Метод коммутации

дной из центральных проблем организации передачи данных по физическим

каналам является проблема параллельного использования одного и того же

канала несколькими парами абонентов Методы лежащие в основе ее

решения получили название методов коммутации

В настоящее время существует два основных метода коммутации

коммутация каналов и коммутация пакетов

Коммутация каналов предполагает что перед началом передачи данных

должна быть выполнена процедура установления соединения в результате

которой образуется составной канал По окончании сеанса связи соединение

разрывается и канал освобождается Классическим примером реализации

коммутации каналов является телефонная связь которая подразумевает что

абонент перед началом разговора набирает номер второго абонента в

результате чего последовательное переключение промежуточных

коммутаторов позволяет образовать непрерывный канал связи между

абонентами Коммутация каналов удобна для организации линий связи в

которых подразумевается передача потоков данных постоянной

интенсивности например таких как телефонный разговор в силу чего этот

метод оказывается недостаточно гибким при построении компьютерных

сетей

Метод коммутации пакетов основан на разбиении передаваемых по сети

данных на небольшие порции Каждая такая порция передается по сети

как единое целое и называется пакетом Такой метод является очень

удобным для параллельного использования физического канала несколькими

парами абонентов канал является занятым только во время прохождения

пакета Временные промежутки между передачей пакетов одним абонентам

могут быть использованы другими для отправки собственных пакетов

Пакет обычно состоит из двух частей ndash заголовка содержащего служебные

данные необходимые для управления доставкой пакета и собственно

данных подлежащих передаче Порядок обмена пакетами а также

конкретный состав заголовка пакетов определяется сетевым протоколом

Для именования пакетов различных уровней модели OSI используются

специальные термины Для канального уровня используется термин кадр

для сетевого ndash пакет для транспортного ndash сегмент дейтаграмма для

сессионного и более высоких уровней ndash сообщение

- 35 -

Протоколы канального уровня

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена

способ представления информации а также необходимый набор правил

позволяющий упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток

битов Перед передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с

принципом пакетной коммутации разделяется на порции каждая из

которых снабжается заголовком содержащим некоторую служебную

информацию те формируется пакет На канальном уровне пакет называется

кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает

протокол Сложность канальных протоколов во многом определяется

сложностью топологии сети Очевидно что организовать общение всего двух

абонентов существенно проще чем упорядочивать информационный обмен в

сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких пар

абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Структура кадра данных

Состав заголовка кадра зависит от многих факторов определяемых набором

функций которые выполняет протокол Тем не менее можно выделить ряд

информационных полей которые обычно присутствуют в заголовке кадра К

таким полям относятся

1 Специальные поля предназначенные для определения границ кадров

Поскольку в физической среде могут постоянно проходить какие-либо

сигналы то сетевые адаптеры должны уметь разбираться в том когда

начинается передача кадра и когда она заканчивается

2 Поле предназначенное для определения протокола сетевого уровня

которому необходимо передать данные Так как на одном компьютере могут

функционировать программные модули различных протоколов сетевого

уровня то протоколы канального уровня должны уметь распределять данные

по этим протоколам

3 Контрольная сумма (или специальный код) содержимого кадра которая

позволяет принимающей стороне определить наличие ошибок в принятых

данных Принцип ее использования состоит в следующем Сетевой адаптер

отправляющего компьютера после формирования кадра вычисляет значение

- 36 -

его контрольной суммы на основе содержимого и помещает это значение в

заголовок кадра Принимающая сторона также вычисляет контрольную

сумму полученного кадра и сравнивает его со значением помещенным в

заголовке Если они не совпадают то это означает что во время передачи

кадра произошла ошибка

4 Поля предназначенные для адресации абонентов в сложных сетях

(определены для протоколов применяемых в сетях базирующихся на

сложных топологиях)

Обобщенная структура кадра данных

Протоколы для сетей сложных топологий

Протоколы канального уровня этой группы являются более сложными чем

протоколы использующиеся в сетях типа точка-точка так как вынуждены

выполнять ряд дополнительных функций Основными функциями являются

Выделение на всем множестве компьютеров подключенных к сети

конкретного абонента с которым осуществляется информационный обмен

то есть адресация

Адресация абонентов

Упорядочивание доступа к среде передачи в случае когда нескольким парам

абонентов требуется осуществить передачу данных

Для обеспечения адресации абонентов в заголовке кадров должны

присутствовать следующие поля

- 37 -

1 Адрес отправителя ndash некоторое число (или набор чисел) позволяющее

идентифицировать сетевой адаптер (а следовательно и компьютер в

котором она установлена) который осуществил передачу кадра данных в

сеть Адреса присваиваются сетевым адаптерам на заводе-изготовителе и

как правило не изменяются в дальнейшем хотя большинство современных

адаптеров позволяют перепрограммировать сетевой адрес

Протоколы канального уровня и сетевые технологии

Функциональный состав того или иного протокола канального уровня во

многом определяется особенностями физического уровня например

топологией сети или типом среды передачи Поэтому при проектировании

сетевого взаимодействия используются и разрабатываются комплексные

стандарты получившие название сетевых технологий

Сетевая технология ndash это набор стандартов определяющий минимальный

состав программно-аппаратных средств достаточный для организации

взаимодействия компьютеров в сети Как правило сетевая технология

определяет топологию сети а также протокол канального уровня (формат

кадра порядок обмена кадрами MTU)

В настоящее время существует большое количество сетевых технологий и

соответственно определяемых ими протоколов канального уровня

Рассмотрим для примера одну из наиболее популярных в настоящее время

технологий ndash технологию локальных сетей Ethernet Эта технология

предполагает что сеть должна строиться на основе физических топологий

шина если используется коаксиальный кабель или звезда если

используется кабель типа витая пара В зависимости от типа используемого

кабеля скорость передачи данных лежит в диапазоне 10-100 Мбитс В

качестве метода доступа к среде передачи используется метод обнаружения

коллизий (CSMACD) Что касается формата кадра то в настоящее время на

практике используются 4 варианта кадров Ethernet отличающихся друг от

друга но все они согласуются с общими положениями изложенными ранее

Максимальный объем данных передаваемых в одном кадре (MTU) в

технологии Ethernet не может превышать 1500 байт

Помимо технологии Ethernet в настоящее время в локальных сетях широко

используются технологии AppleTalk FDDI и ATM В глобальных сетях

широко распространены технологии ATM FrameRelay ISDN и SMDS

Существует также ряд технологий использующихся для организации

беспроводных сетей Наиболее популярной технологией применяемой при

- 38 -

построении локальных сетей в настоящее время является технология

RadioEthernet Она предполагает передачу данных в двух УКВ-диапазонах

около 915 МГЦ и 2400-24835 МГц а также в инфракрасном спектре

Диапазон 915 МГц в России и Европе достаточно сильно загружен

средствами связи (сотовая телефония) поэтому он используется как

правило для организации сетей внутри зданий хотя технически позволяет

осуществлять передачу на значительные расстояния Это же ограничение

распространяется и на инфракрасный диапазон поскольку инфракрасные

лучи чувствительны к погодным условиям В зависимости от того какой

режим передачи используется сети RadioEthernet позволяют осуществлять

передачу данных со скоростью 2 - 10 Мбитс Технология RadioEthernet

предполагает построение сетей на базе топологий точка-точка и звезда В

качестве метода доступа используется метод предупреждения коллизий

(CSMACA)

Наряду с кабельными и беспроводными технологиями существуют также

технологии предполагающие комбинирование различных типов физической

среды передачи Обычно они применяются для построения асимметричных

сетей небольшие по объему запросы пользовательских компьютеров

передаются по кабельным каналам например с использованием телефонных

линий и модемов а прием осуществляется через спутниковый радиоканал

Объединение сетей на канальном уровне

Сложные сети в общем случае представляют собой совокупность

нескольких сетей Такие сети называются объединенными сетями

(internetwork)

Необходимость объединения сетей может быть вызвана разными причинами

Прежде всего это - преодоление технических ограничений среды передачи

например максимального расстояния передачи данных Кроме того

построение сети как объединенной позволяет повысить надежность (выход

из строя одной физической среды не влияет на работу остальных) и

обеспечить определенный уровень конфиденциальности (данные

передаваемые между компьютерами одной физической среды оказываются

недоступными компьютерам других сетей)

Для построения объединенных сетей требуются специальные устройства

которые позволяют подключать к себе две (или более) сети Наиболее

простым устройством такого вида является мост (bridge)

Мост

- 39 -

Принцип функционирования моста достаточно прост для подключения сетей

мост располагает несколькими портами с каждым из которых связываются

записи так называемой адресной таблицы содержащей список адресов

компьютеров сетей подключенных к мосту Когда мост получает кадр

данных то он передает его в сеть через порт который согласно таблице

соответствует адресу получателя В случае если адрес получателя не

обнаружен в адресной таблице то кадр передается во все сети Адресные

таблицы мостов как правило строятся на основе анализа кадров

передаваемых по сетям

Функции сетевого уровня

Сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе

различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне

достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети

но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети

с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это

объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

адресации определенных различными технологиями Поэтому для

обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства

представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую

абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых

технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого

уровня модели OSI

Очевидно что устройства этого уровня предназначенные для объединения

сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального

уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную

передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть

определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку

составной сети Процесс определения пути прохождения данных через

подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства

объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название

маршрутизаторов

- 40 -

Протокол IP

Протокол IP (Internet Protocol) входит в состав стека протоколов TCPIP и

является основным протоколом сетевого уровня использующимся в

Интернет и обеспечивающим единую схему логической адресации устройств

в сети и маршрутизацию данных

Для выполнения своих функций протокол определяет свой собственный

формат пакета Основными информационными полями заголовка пакета

являются

IP-адреса отправителя и получателя ndash предназначены для

идентификации отправителя и получателя (см IP-адресация)

Время жизни пакета (Time To Live TTL) - определяет время которое

IP-пакет может находиться в сети и предназначено для

предотвращения захламления сети заблудившимися пакетами

поля предназначенные для фрагментации пакетов (см IP-

фрагментация)

поля предназначенные для управления обработкой пакета (длина

пакета и заголовка контрольная сумма заголовка тип обслуживания и

тд)

Существует 5 классов IP-адресов ndash A B C D E Принадлежность IP-

адреса к тому или иному классу определяется значением первого

октета (W) Ниже показано соответствие значений первого октета и

классов адресов

Класс IP-адреса A B C D E

Диапазон первого

октета

1-

126

128-

191

192-

223

224-

239

240-

247

IP-адреса первых трех классов предназначены для адресации

отдельных узлов и отдельных сетей Такие адреса состоят из двух

частей ndash номера сети и номера узла Такая схема аналогична схеме

почтовых индексов ndash первые три цифры кодируют регион а остальные

ndash почтовое отделение внутри региона

Преимущества двухуровневой схемы очевидны она позволяет во-

первых адресовать целиком отдельные сети внутри составной сети

что необходимо для обеспечения маршрутизации а во-вторых ndash

присваивать узлам номера внутри одной сети независимо от других

сетей Естественно что компьютеры входящие в одну и ту же сеть

должны иметь IP-адреса с одинаковым номером сети

- 41 -

IP-Маршрутизация ndash процесс выбора пути для передачи пакета в сети Под

путем (маршрутом) понимается последовательность маршрутизаторов через

которые проходит пакет по пути к узлу-назначению IP-маршрутизатор ndash это

специальное устройство предназначенное для объединения сетей и

обеспечивающее определение пути прохождения пакетов в составной сети

Маршрутизатор должен иметь несколько IP-адресов с номерами сетей

соответствующими номерам объединяемых сетей

Как известно для разных сетевых технологий значение MTU определенное

для кадров данных может отличаться Поэтому при преобразовании кадров

на маршрутизаторе может потребоваться разделение вложенных в них IP-

пакетов на более мелкие пакеты

Для разделения пакетов на фрагменты модуль IP установленный на

маршрутизаторе создает на его основе некоторое число новых пакетов (в

соответствии с длиной исходного пакета и значения MTU для сети куда

должны быть переданы данные) Для того чтобы данные могли быть

правильно собраны получателем в заголовки новых IP-пакетов помещается

специальный числовой идентификатор позволяющий однозначно

определить что эти пакеты являются фрагментами одного большого пакета

Кроме того в заголовках также указывается положения фрагментов в

исходном пакете что позволяет обеспечить правильный порядок сборки

получателем

Вспомогательные протоколы сетевого уровня стека TCPIP

Главными функциями протокола IP является обеспечение единой схемы

адресации независимой от принципов адресации определяемых сетевыми

технологиями (адресацией канального уровня) а также передача данных по

составной сети (маршрутизация и фрагментация пакетов) Однако для

организации реального взаимодействия этого оказывается недостаточно -

существует еще ряд проблем

Первая проблема состоит в следующем Для того чтобы передать данные по

сети программное обеспечение протокола IP создает пакет и передает его

средствам канального уровня При этом средствам канального уровня для

формирования кадра данных необходим адрес получателя причем не

логический IP-адрес а MAC-адрес который может быть правильно опознан

сетевым адаптером принимающего компьютера Однако спецификацией

протокола IP не предусмотрен механизм позволяющий определять

соответствие между аппаратными и IP-адресами Эту функцию выполняет

вспомогательный протокол сетевого уровня ARP (Address Resolution

Protocol) входящий в семейство протоколов TCPIP

- 42 -

Другая серьезная проблема состоит в том что если при обработке IP-пакета

на маршрутизаторе возникли какие-то проблемы например истекло время

жизни пакета то отправитель о них не узнает поскольку механизм

обратной связи также не предусмотрен спецификацией протокола IP Для

решения этой проблемы используется специальный протокол сетевого

уровня ICMP (Internet Control Message Protocol) входящий в стек протоколов

TCPIP и обеспечивающий передачу управляющей информации и

информации об ошибках

В семействе протоколов TCPIP предусмотрен также ряд других

вспомогательных протоколов например протоколы динамической

маршрутизации обеспечивающие обмен информацией между

маршрутизаторами с целью автоматизации построения таблиц

маршрутизации

Транспортный уровень

Функции транспортного уровня

Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных между

устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд)

Однако не следует забывать что на одном узле может функционировать

параллельно несколько программ которым требуется доступ к сети

Следовательно данные внутри компьютерной системы должны

распределяться между программами Поэтому при передаче данных по сети

недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо также

идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является

отсутствие средств позволяющих передавать большие массивы данных

Когда исходные данные превышают максимально допустимый размер пакета

сетевого уровня то эти данные должны быть разбиты на порции каждая из

которых передается в сеть отдельным пакетом Однако каждый пакет

сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других блок

данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и

следовательно ndash обнаружить нарушение целостности общего массива

данных Поэтому средства транспортного уровня обеспечивают отсутствие

потерь информации Такой режим передачи данных получил название

гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой

- 43 -

функциональную надстройку над сетевым уровнем и решают две основных

задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

обеспечение гарантированной доставки массивов данных

произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash

UDP обеспечивающий негарантированную доставку данных между

программами и TCP обеспечивающий гарантированную доставку с

установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной

уровень

Компоненты четырех нижних уровней модели OSI (физического канального

сетевого и транспортного) представляют собой механизм обеспечивающий

доставку данных любого типа и произвольного объема между программами

работающими на разных узлах составной сети Однако при работе в сети

пользователям требуется не просто пересылка данных а выполнение каких-

либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех

возможностей которые предоставляют средства нижних уровней

недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо

просмотреть документ расположенный не на его локальном компьютере а

на удаленной машине Решение такой задачи предполагает как минимум

прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса

содержащего имя документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного

компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной

машины изменений вносимых в этот документ другими пользователями и

уведомление об этом пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав

пользователя на работу с документом что предполагает дополнительный

- 44 -

обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних

уровней не имеют средств позволяющих реализовать специфику такого

взаимодействия Поэтому для его организации требуются дополнительные

надстройки над средствами транспортного и нижележащих уровней В

эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный уровень

уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или

сессии) при длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое

(виртуальное) соединение между двумя программами в общем случае

функционирующими на разных компьютерах В простейшем случае

установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти

необходимых для приема и передачи данных После окончания передачи

данных происходит закрытие соединения предполагающее освобождение

выделенных ресурсов Во многих случаях этого недостаточно поэтому

сессионный уровень предлагает более сложные механизмы для организации

сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая

поддержка осуществляется путем периодической отправки специальных

тестовых пакетов при получении которых участник соединения должен

ответить Возвращаясь к предложенному выше примеру следует отметить

что установление соединения при работе с удаленным документом позволяет

один раз перед началом работы проверить права доступа пользователя а

также один раз передать запрос с именем файла В случае если бы

соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог

бы уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться

дополнительное преобразование Например это необходимо в случае если

взаимодействующие программы используют различные способы кодировки

текстовой информации или если для обеспечения защиты информации

требуется осуществлять шифрование данных Обеспечение подобных

промежуточных преобразований возложено на уровень представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными

уровнями Они позволяют осуществлять работу с различными

информационными ресурсами сети например файлами или сообщениями

электронной почты Естественно что различные типы ресурсов в общем

случае требуют различных методов обработки и в том числе методов

сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI

- 45 -

является прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции

работы с конкретными информационными объектами В предложенном выше

примере (чтение удаленного документа) к функциям прикладного протокола

относятся формирование запросов на получение документа проверка прав

доступа а также определение порядка пересылки файлов и уведомлений об

изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами

определяемых протоколами прикладного уровня часть функций сессионного

уровня и уровня представления может оказаться избыточной поэтому при

программной реализации три верхних уровня обычно объединяются

Page 7: - 3 - ВВЕДЕНИЕicm.muctr.ru/study/computers/inf001.pdf · 2016-08-25 · - 7 - А) Количество информации как мера уменьшения неопределенности

- 9 -

одинаковой частотой (равновероятно) то количество информации которое несет

каждый символ вычисляется по формуле

i = log2N где N mdash мощность алфавита Следовательно в 2-х

символьном алфавите каждый символ ―весит 1 бит (log22 = 1) в 4-х символьном

алфавите каждый символ несет 2 бита информации (log24 = 2) в 8-ми символьном mdash

3 бита (log2= 3) и тд Один символ из алфавита мощностью 256 (28) несет в тексте 8

бит информации Такое количество информации называется байт Алфавит из 256

символов используется для представления текстов в компьютере 1 байт = 8 бит

Если весь текст состоит из К символов то при алфавитном подходе размер

содержащейся в нем информации равен

I = К х i где i mdash информационный вес одного символа в используемом

алфавите

Информационный объем сообщения (информационная емкость

сообщения) ndash количество информации в сообщении измеренное в битах байтах или

производных единицах (Кбайтах Мбайтах и т д) Пример 1 Книга набранная с

помощью компьютера содержит 150 страниц на каждой странице mdash 40 строк b в

каждой строке mdash 60 символов Каков объем информации в книге

Решение Мощность компьютерного алфавита равна 256 Один символ несет 1 байт

информации Значит страница содержит 40 х 60 = 2400 байт информации Объем

всей информации в книге (в разных единицах)2400 х 150 == 360 000 байт

3600001024 = 3515625 Кбайт 35156251024 = 034332275 Мбайт

- 10 -

Глава 2 АРХИТЕКТУРА ЭВМ

21 История развития средств вычислительной техники ndash пять

поколений ЭВМ

22 Блок- схема ЭВМ (блок-схема по Нейману)

23 Блок- схема ПК Принцип открытой архитектуры

24 Характеристики вычислительных систем

25 Центральный процессор и микропроцессор

26 Системная плата

27 Внутренняя и внешняя память

210 Устройства ввода-вывода данных

Структура ЭВМ фон Неймана

Код

операции

Признаки

Команды

Операнды

Результаты

Исходные

данные

Программа

УВВ

ОЗУ

ВЗУ

АЛУ

УУ

Результаты

Адреса

- 11 -

bull Принципы Джон фон Неймана 1) принцип программного управления (программа состоит из набора команд которые выполняются процессором друг за другом в определенной последовательности) 2) принцип однородности памяти (программы и данные хранятся в одной и той же памяти) 3) принцип адресности (ОП состоит из пронумерованных ячеек и процессору в любой момент времени доступна любая ячейка)

- 12 -

Поколения ЭВМ

1На основе электронных ламп

2На основе электронных ламп и

дискретных транзисторных

логических элементов

3Семейства машин с единой

архитектурой

интегральные схемы

4Проектировались в расчете на

эффективное использование

современных высокоуровневых

языков

Поколения ЭВМ

1На основе электронных ламп

2На основе электронных ламп и

дискретных транзисторных

логических элементов

3Семейства машин с единой

архитектурой

интегральные схемы

4Проектировались в расчете на

эффективное использование

современных высокоуровневых

языков

- 13 -

Т

Основы построения ЭВМ

bull Принципы функционирования

универсальных вычислительных

устройств

bull 1 Принцип программного управления

bull 2 Принцип однородности памяти

bull 3 Принцип адресности

Поколения ЭВМ

- 14 -

Языки

сверхвысокого

Уровня

Сенсорные

Устройства

Оптические

диски

ДоскаСверхбольшие

Интегральные

схемы

90-нв5

Языки высокого

уровня

Интерактивные

устройства

ВинчестерыСтолБольшие

интеграль

ные

схемы

(БИС)

70ndash804

Алгоритмические

языки

ДисплеиМагнитные

диски

ШкафИнтегральные

схемы (ИС)

60ndash703

Автокоды

(ассемблер)

ТелетайпыМагнитные

ленты

КомнатаТранзисторы50ndash602

Машинные

языки

ПерфораторыМагнитный

барабан

Машинный

зал

Лампы40ndash501

ЯзыкиInoutНакопителиГабаритыЭлементыГодыПоколение

Глава 3 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

31 Развитие программного обеспечения

32Состав Microsoft Office

33 История языков программирования

Microsoft Word (часто mdash MS Word WinWord или просто Word) mdash это текстовый

процессор предназначенный для создания просмотра и редактирования текстовых

документов с локальным применением простейших форм таблично-матричных

алгоритмов Текстовый процессор выпускается корпорацией Microsoft в составе

пакета Microsoft Office Первая версия была написана Ричардом Броди (Richard

Brodie) для IBM PC использующих DOS в 1983 году Позднее выпускались версии

для Apple Macintosh (1984) SCO UNIX и Microsoft Windows (1989)

Microsoft Word многим обязан Bravo mdash текстовому процессору с оригинальным

графическим интерфейсом разработанному в исследовательском центре laquoXerox

PARCraquo Создатель Bravo Чарльз Симони (Charles Simonyi) покинул PARC в 1981

году Тем же летом Симони переманил Броди с которым вместе работал над Bravo

Первый выпуск Word для MS-DOS состоялся в конце 1983 года Он был плохо принят

рынком продажи снижало наличие конкурирующего продукта mdash WordPerfect

Однако версия для Макинтоша выпущенная в 1985 году получила широкое

распространение Через два года laquoWord 301 для Macintoshraquo усилил позиции (версия 30

изобиловала ошибками и быстро была заменена) Как и прочее программное обеспечение

для Макинтоша Word был полностью WYSIWYG-редактором (принцип laquoWhat You See Is

What You Getraquo mdash laquoполучаю то что вижуraquo)

- 15 -

Хотя MS-DOS и являлась текстовой операционной системой лишѐнной графической

оболочки Word для DOS был первым текстовым процессором для IBM PC который был

способен отображать разметку текста например полужирный или курсивный текст в

процессе редактирования Однако он всѐ же не являлся в полном смысле WYSIWYG-

редактором Другие же текстовые процессоры такие как WordStar и WordPerfect

использовали простой текстовый экран с кодами разметки иногда текст был цветным

Однако поскольку в большинстве программного обеспечения под DOS применялись

собственные труднозапоминаемые комбинации laquoгорячих клавишraquo для каждой команды

(например в Wordrsquoе для DOS сохранение файла выполнялось по комбинации ESC-T-S) и

большинство секретарей умели пользоваться только WordPerfect компании весьма

неохотно переходили на конкурирующие с ним продукты имеющие сравнительно

небольшие преимущества

Первая версия Word для Windows выпущенная в 1989 году продавалась по цене 500

долларов США Она демонстрировала выбранный компанией Майкрософт путь развития

как и сама Windows она многое взяла от Macintosh и использовала стандартные

клавиатурные сокращения (например CTRL-S для сохранения файла) После выпуска в

следующем году Windows 30 продажи поползли вверх (Word 10 гораздо лучше работал с

Windows 30 чем с более старыми версиями Windows386 и Windows286) главный

конкурент mdash WordPerfect mdash не смог выпустить рабочую версию под Windows что

оказалось для него смертельной ошибкой Версия 20 утвердила WinWord на позиции

лидера рынка

У Word для Macintosh никогда не было серьѐзных конкурентов даже несмотря на наличие

программ вроде Nisus предоставлявшую возможность выделения нескольких несвязных

кусков текста (появившуюся только в Word 2002 из Office XP) и несмотря на мнение

многих пользователей об отсутствии кардинальных различий между версиями 301

выпущенной в 1987 году и версией 50 выпущенной в 1991 Однако версия 60 для

Macintosh вышедшая в 1994 году была многими воспринята довольно скептически Это

была первая версия без значительных отличий в коде ядра между версиями под Windows и

под Mac Версия под Windows следовавшая за 20 была пронумерована как 60 для

координации названия версий под разные платформы

Последовавшие версии добавляли возможности выходящие за рамки простого текстового

процессора Инструменты рисования позволяли выполнять примитивные операции

вѐрстки такие как добавление графики в документ хотя естественно

специализированные программы для вѐрстки лучше справляются с этими задачами

Внедрение объектов сравнение версий документа мультиязычная поддержка и многие

другие возможности были добавлены за последовавшие несколько лет

Microsoft Word является наиболее популярным из используемых в данный момент

текстовых процессоров что сделало его бинарный формат документа стандартом де-

факто и многие конкурирующие программы имеют поддержку совместимости с данным

форматом Расширение laquodocraquo на платформе IBM PC стало синонимом двоичного формата

Word 97mdash2000 Фильтры экспорта и импорта в данный формат присутствуют в

большинстве текстовых процессоровФормат документа разных версий Word меняется

различия бывают довольно тонкими Форматирование нормально выглядящее в

последней версии может не отображаться в старых версиях программы однако есть

ограниченная возможность сохранения документа с потерей части форматирования для

открытия в старых версиях продукта Последняя версия MS Word 2007 использует по

умолчанию формат основанный на XML - Microsoft Office Open XML Спецификация

- 16 -

форматов файлов Word 97-2007 были опубликован Microsoft в 2008 году[1][2]

Ранее

большая часть информации нужной для работы с данным форматом добывалась

посредством обратного инжиниринга поскольку основная еѐ часть отсутствовала в

открытом доступе или была доступна лишь ограниченному числу партнеров и

контролирующих организаций

Как и прочие приложения из Microsoft Office Word может расширять свои возможности

посредством использования встроенного макроязыка (сначала использовался WordBasic с

версии Word 97 применяется VBA mdash Visual Basic для приложений) Однако это

предоставляет широкие возможности для написания встраиваемых в документы вирусов

(так называемые laquoмакровирусыraquo) Наиболее ярким примером была эпидемия червя

Melissa В связи с этим многие считают разумной рекомендацию всегда выставлять

наивысший уровень настроек безопасности при использовании Word (Меню

laquoToolsgtMacrogtSecurityraquo laquoСервисgtМакросgtБезопасностьhellipraquo в локализованных русских

версиях) Также нелишним будет использовать антивирусное программное обеспечение

Первым вирусом заражавшим документы Microsoft Word был DMV созданный в декабре

1994 года Дж МакНамарой для демонстрации возможности создания макровирусов

Первым же вирусом попавшим в дикую природу и вызвавшим первую в мире

эпидемию макровирусов (это произошло в июле-августе 1995 г) был Concept

12 августа 2009 года суд штата Техас запретил продажу программы Word на территории

США в связи с тем что Microsoft незаконно использует метод чтения XML-файлов

патент на который принадлежит канадской компании i4i [3]

В 1982 году Microsoft запустила на рынок первый электронный табличный процессор

Multiplan который был очень популярен на CPM системах но на MS-DOS системах он

уступал Lotus 1-2-3 Первая версия Excel предназначалась для Mac и была выпущена в

1985 году а первая версия для Windows была выпущена в ноябре 1987 года Lotus не

торопилась выпускать 1-2-3 под Windows и Excel с 1988 года начала обходить по

продажам 1-2-3 что в конечном итоге помогло Microsoft достичь позиций ведущего

разработчика программного обеспечения Microsoft укрепляла свое преимущество с

выпуском каждой новой версии что имело место примерно каждые два года Текущая

версия для платформы Windows mdash Excel 12 также известная как Microsoft Office Excel

2007 Текущая версия для платформы Mac OS X mdash Microsoft Excel 2008

В начале своего пути Excel стал причиной иска о товарном знаке от другой компании уже

продававшей пакет программ под названием laquoExcelraquo В результате спора Microsoft был

обязана использовать название laquoMicrosoft Excelraquo во всех своих официальных пресс-

релизах и юридических документах Однако со временем эта практика была позабыта и

Microsoft окончательно устранила проблему приобретя товарный знак другой программы

Microsoft также решила использовать буквы XL как сокращенное название программы

иконка Windows-программы состоит из стилизованного изображения этих двух букв а

расширение файлов по умолчанию в Excel mdash xls В сравнении с первыми табличными

процессорами Excel представляет множество новых функций пользовательского

интерфейса но суть остается прежней как и в программе-родоначальнике VisiCalc

ячейки расставляются в строки и столбцы и могут содержать данные или формулы с

относительными или абсолютными ссылками на другие клетки

Excel был первым табличным процессором позволявшим пользователю менять внешний

вид таблицы (шрифты символы и внешний вид ячеек) Он также первым представил

метод умного пересчета ячеек когда обновляются только те ячейки которые зависят от

- 17 -

измененных ячеек (раньше табличные процессоры либо постоянно пересчитывали все

ячейки или ждали команды пользователя)

Будучи впервые объединенными в Microsoft Office в 1993 году Microsoft Word и Microsoft

PowerPoint получили новый графический интерфейс для соответствия Excel главного

стимула модернизации ПК в то время

Начиная с 1993 года в состав Excel входит Visual Basic для приложений (VBA) язык

программирования основанный на Visual Basic позволяющий автоматизировать задачи

Excel VBA является мощным дополнением к приложению и в более поздних версиях

Excel доступна полнофункциональная интегрированная среда разработки Можно создать

VBA-код повторяющий действия пользователя и таким образом автоматизировать

простые задачи VBA позволяет создавать формы для общения с пользователем Язык

поддерживает использование (но не создание) DLL от ActiveX более поздние версии

позволяют использовать элементы объектно-ориентированного программирования

Функциональность VBA делала Excel легкой мишенью для макровирусов И это было

серьезной проблемой до тех пор пока антивирусные продукты не научились

обнаруживать их Фирма Microsoft с опозданием приняв меры для уменьшения риска

добавила возможность выбора режима безопасности

Идея PowerPoint появилась у Боба Гаскинса (Bob Gaskins) студента университета Беркли

который решил что наступает век графических интерактивных материалов В 1984 году

Гаскинс присоединился к провальной компании Forethought и нанял разработчика

Денниса Остина (Dennis Austin) Боб и Деннис объединили усилия и создали программу

Presenter Деннис создал оригинальную версию программы с Томом Рудкиным (Tom

Rudkin) Позже Боб решил сменить имя на PowerPoint которое и стало названием

конечного продукта

В 1987 году вышел PowerPoint 10 для Apple Macintosh Он работал в черно-белом цвете

Вскоре появились цветные Macintosh и новая версия PowerPoint не заставила себя ждать

Программное руководство с первой редакцией было уникально Это была книга синего

цвета в твердом переплете Компания Forethought считала что это лучше чем куча

исполняемых файлов помощи на компьютере и инструкций в электронном виде Но

обновление инструкции было необоснованно дорого Идея с подобными книгами была

вскоре заброшена

Позже в 1987 году Forethought и ее продукт были куплены Microsoft за 14 млн $ В 1990

году вышла версия для Windows C 1990 года PowerPoint стал стандартом в наборе

программ Microsoft Office

В 2002 году вышла версия PowerPoint которая не только была включена в пакет Microsoft

Office XP но также распространялась как отдельный продукт В нем появились такие

функции как сравнение и смешение изменений в презентации возможность задавать пути

анимации для индивидуальных форм создание пирамидальных радиальных и целевых

диаграмм а также кругов Эйлера панель задач для просмотра и выбора объектов буфера

обмена защита презентации паролем автоматическая генерация фотоальбома а также

―умные теги для быстрого выбора формата текста скопированного в презентацию

Microsoft PowerPoint 2003 не сильно отличается от предшественника Он увеличивает

эффективность работы в группе и теперь имеет возможность создания ―Пакета для CD

- 18 -

который легко позволяет скопировать презентацию с мультимедийным содержанием и

просмотрщик на компакт диск

Текущая версия Power Point 2007 привносит основные изменения в интерфейс программы

и увеличивает графические возможности

PowerPoint является частью Microsoft Office Это позволило PowerPoint стать наиболее

распространенной во всем мире программой для создания презентаций Файлы

презентаций PowerPoint часто пересылаются пользователями программы на другие

компьютеры что означает необходимую совместимость с ними программ конкурентов

Однако поскольку Power Point имеет возможность подключения элементов других

приложений через OLE некоторые презентации становятся сильно привязанными к

платформе Windows что делает невозможным открытие данных файлов например в

версии для Mac OS Это привело к переходу на открытые стандарты такие как PDF и

OASIS OpenDocument

Глава 4 АЛГОРИТМИЗАЦИЯ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

41 Структурный подход к разработке алгоритмов и программ

42 Основные структуры и операторы VBA

43 Примеры на VBA

- 19 -

Глава 5ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ

Компьютерные сети

Понятие компьютерной сети

Компьютерная сеть (Computer Network) ndash это множество компьютеров соединенных

линиями связи и работающих под управлением специального программного обеспечения

Под линией связи обычно понимают совокупность технических устройств и

физической среды обеспечивающих передачу сигналов от передатчика к приемнику В

реальной жизни примерами линий связи могут служить участки кабеля и усилители

обеспечивающие передачу сигналов между коммутаторами телефонной сети На основе

линий связи строятся каналы связи

Каналом связи обычно называют систему технических устройств и линий связи

обеспечивающую передачу информации между абонентами Соотношение между

понятиями канал и линия описывается следующим образом канал связи может

включать в себя несколько разнородных линий связи а одна линия связи может

использоваться несколькими каналами

Главной целью объединения компьютеров в сеть является предоставление пользователям

возможности доступа к различным информационным ресурсам (например документам

программам базам данных и тд) распределенным по этим компьютерам и их

совместного использования

Важной характеристикой любой компьютерной сети является широта территории

которую она охватывает Широта охвата определятся взаимной удаленностью

компьютеров составляющих сеть и следовательно влияет на технологические решения

выбираемые при построении сети Классически выделяют два типа сетей локальные сети

и глобальные сети

К локальным сетям (Local Area Network LAN) обычно относят сети компьютеры

которых сосредоточены на относительно небольших территориях (как правило в радиусе

до 1-2 км) Классическим примером локальных сетей является сеть одного предприятия

расположенного в одном или нескольких стоящих рядом зданиях Небольшой размер

локальных сетей позволяет использовать для их построения достаточно дорогие и

высококачественные технологии что обеспечивает высокую скорость обмена

информацией между компьютерами

Глобальные сети (Wide Area Network WAN) ndash это сети предназначенные для

объединения отдельных компьютеров и локальных сетей расположенных на

значительном удалении (сотни и тысячи километров) друг от друга Поскольку

организация специализированных высококачественных каналов связи большой

протяженности является достаточно дорогой то в глобальных сетях нередко

используются уже существующие и изначально не предназначенные для построения

компьютерных сетей линии (например телефонные или телеграфные) В связи с этим

скорость передачи данных в таких сетях существенно ниже чем в локальных

Независимо от того какую территорию покрывает сеть какие технологические решения

лежат в основе ее организации существуют общие принципы сетевого взаимодействия

которым должно подчиняться функционирование сети Именно выработка таких общих

- 20 -

принципов способствовала в свое время появлению Интернет (Internet) как объединенной

сети (иногда даже используется термин гиперсеть) собравшей в своем составе

локальные городские и глобальные сети всей планеты

Модель сетевого взаимодействия

В 1984 году Международной Организацией по Стандартизации (International Standard

Organization ISO) была разработана модель взаимодействия открытых систем (Open

Systems Interconnection OSI) Модель представляет собой международный стандарт для

проектирования сетевых коммуникаций и предполагает уровневый подход к построению

сетей Каждый уровень модели обслуживает различные этапы процесса взаимодействия

Посредством деления на уровни сетевая модель OSI упрощает совместную работу

оборудования и программного обеспечения Модель OSI разделяет сетевые функции на

семь уровней прикладной уровень представления сессионный транспортный сетевой

канальный и физический

Физический уровень (Physical layer) определяет способ физического соединения

компьютеров в сети Функциями средств относящихся к данному уровню являются

побитовое преобразование цифровых данных в сигналы передаваемые по физической

среде (например по кабелю) а также собственно передача сигналов

Канальный уровень(Data Link layer) отвечает за организацию передачи данных между

абонентами через физический уровень поэтому на данном уровне предусмотрены

средства адресации позволяющие однозначно идентифицировать отправителя и

получателя во всем множестве абонентов подключенных к обще линии связи В функции

данного уровня также входит упорядочивание передачи с целью параллельного

использования одной линии связи несколькими парами абонентов Кроме того средства

канального уровня обеспечивают проверку ошибок которые могут возникать при

передаче данных физическим уровнем

Сетевой уровень(Network layer) обеспечивает доставку данных между компьютерами

сети представляющей собой объединение различных физических сетей Данный уровень

предполагает наличие средств логической адресации позволяющих однозначно

- 21 -

идентифицировать компьютер в объединенной сети Одной из главных функций

выполняемых средствами данного уровня является целенаправленная передача данных

конкретному получателю

Транспортный уровень(Transport layer) реализует передачу данных между двумя

программами функционирующими на разных компьютерах обеспечивая при этом

отсутствие потерь и дублирования информации которые могут возникать в результате

ошибок передачи нижних уровней В случае если данные передаваемые через

транспортный уровень подвергаются фрагментации то средства данного уровня

гарантируют сборку фрагментов в правильном порядке

Сессионный (или сеансовый) уровень (Session layer) позволяет двум программам

поддерживать продолжительное взаимодействие по сети называемое сессией (session)

или сеансом Этот уровень управляет установлением сеанса обменом информацией и

завершением сеанса Он также отвечает за идентификацию позволяя тем самым только

определенным абонентам принимать участие в сеансе и обеспечивает работу служб

безопасности с целью упорядочивания доступа к информации сессии

Уровень представления(Presentation layer) осуществляет промежуточное

преобразование данных исходящего сообщения в общий формат который предусмотрен

средствами нижних уровней а также обратное преобразование входящих данных из

общего формата в формат понятный получающей программе

Основные принципы уровневого взаимодействия

При уровневой организации процесса взаимодействия должны соблюдаться следующие

требования

компоненты одного уровня одной системы могут взаимодействовать с

компонентами только того же уровня другой системы

в рамках одной системы компоненты какого-либо уровня могут взаимодействовать

только с компонентами смежных (вышележащего и нижележащего) уровней

Набор правил определяющих порядок взаимодействия средств относящихся к одному и

тому же уровню и функционирующих в разных системах называется протоколом

(protocol) Правила взаимодействия между собой средств относящихся к смежным

уровням и функционирующих в одной системе называются интерфейсом (interface)

Функции физического уровня

Физический уровень определяет способ физического соединения компьютеров в сети

Основными функциями средств относящихся к данному уровню является побитовое

преобразование цифровых данных в сигналы среды передачи а также собственно

передача сигналов по физической среде

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно распространение

информационных сигналов в виде электрических световых и тп импульсов В настоящее

время выделяют два основных типа физических соединений соединения с помощью

кабеля и беспроводные соединения

- 22 -

Кабель (cable) используемый для построения компьютерных сетей представляет собой

сложную конструкцию состоящую в общем случае из проводников изолирующих и

экранирующих слоев В современных сетях используются три типа кабеля

Каждый тип кабеля отличается от других внутренним устройством и обладает целым

набором технических характеристик влияющих на основные потребительские параметры

сетей

Тип кабеля Характеристика

Максимальное

расстояние передачи

Максимальная

скорость передачи

Коаксиальный

кабель 185 ndash 500 м 10 Мбитс

Витая пара 30 ndash 100 м 10 Мбитс ndash 1

Гбитс

Оптоволоконный

кабель 2 км

10 Мбитс ndash 2

Гбитс

Топология сети - способ соединения компьютеров с помощью физической среды

Если сеть состоит всего из двух компьютеров то они соединяются напрямую Такой

способ соединения получил название точка-точка (point-to-point)

Выделяют три базовые топологии Шина (bus) Кольцо (ring) Звезда(star)

laquoШинаraquo - использует один передающий канал на базе коаксиального кабеля называемый

шиной Все сетевые компьютеры присоединяются напрямую к шине На концах кабеля-

шины устанавливаются специальные заглушки - терминаторы (terminator) Они

необходимы для того чтобы погасить сигнал после прохождения по шине К недостаткам

топологии Шина следует отнести следующее

данные предаваемые по кабелю доступны всем подключенным компьютерам

в случае повреждения шины вся сеть перестает функционировать

laquoКольцоraquo - характерно отсутствие конечных точек соединения сеть замкнута образуя

неразрывное кольцо по которому передаются данные Эта топология подразумевает

следующий механизм передачи данные передаются последовательно от одного

компьютера к другому пока не достигнут компьютера-получателя Недостатки топологии

кольцо те же то и у топологии шина

общедоступность данных

неустойчивость к повреждениям кабельной системы

В сети с топологией звезда все компьютеры соединены со специальным устройством

называемым сетевым концентратором или хабом (hub) который выполняет функции

- 23 -

распределения данных Прямые соединения двух компьютеров в сети отсутствуют

Благодаря этому имеется возможность решения проблемы общедоступности данных а

также повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы Однако

функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора

Канальный уровень - отвечает за организацию передачи данных между абонентами

через физический уровень поэтому на данном уровне предусмотрены средства адресации

позволяющие однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к общему физическому каналу В функции данного

уровня также входит упорядочивание передачи с целью обеспечения возможности

параллельного использования одного физического канала несколькими парами абонентов

Средства канального уровня обеспечивают проверку ошибок которые могут возникать

при передаче данных физическим уровнем Большинство функций канального уровня

выполняются устройствами передачи данных (например сетевым адаптером)

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена способ

представления информации а также необходимый набор правил позволяющий

упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток битов Перед

передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с принципом пакетной

коммутации разделяется на порции каждая из которых снабжается заголовком

содержащим некоторую служебную информацию те формируется пакет На канальном

уровне пакет называется кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает протокол Сложность

канальных протоколов во многом определяется сложностью топологии сети Очевидно

что организовать общение всего двух абонентов существенно проще чем упорядочивать

информационный обмен в сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких

пар абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Сетевой уровень - сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

- 24 -

адресации определенных различными технологиями Поэтому для обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого уровня модели OSI Устройства этого уровня предназначенные для объединения сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку составной сети Процесс определения пути прохождения данных через подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название маршрутизаторов

Транспортный уровень Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных

между устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд) Однако

не следует забывать что на одном узле может функционировать параллельно несколько

программ которым требуется доступ к сети Следовательно данные внутри

компьютерной системы должны распределяться между программами Поэтому при

передаче данных по сети недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо

также идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является отсутствие средств

позволяющих передавать большие массивы данных Когда исходные данные превышают

максимально допустимый размер пакета сетевого уровня то эти данные должны быть

разбиты на порции каждая из которых передается в сеть отдельным пакетом Однако

каждый пакет сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других

блок данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и следовательно ndash

обнаружить нарушение целостности общего массива данных Поэтому средства

транспортного уровня обеспечивают отсутствие потерь информации Такой режим

передачи данных получил название гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой функциональную

надстройку над сетевым уровнем и решают две основных задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

- 25 -

обеспечение гарантированной доставки массивов данных произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash UDP

обеспечивающий негарантированную доставку данных между программами и TCP

обеспечивающий гарантированную доставку с установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной уровень - Компоненты четырех

нижних уровней модели OSI (физического канального сетевого и транспортного)

представляют собой механизм обеспечивающий доставку данных любого типа и

произвольного объема между программами работающими на разных узлах составной

сети Однако при работе в сети пользователям требуется не просто пересылка данных а

выполнение каких-либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех возможностей

которые предоставляют средства нижних уровней недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо просмотреть

документ расположенный не на его локальном компьютере а на удаленной машине

Решение такой задачи предполагает как минимум прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса содержащего имя

документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной машины

изменений вносимых в этот документ другими пользователями и уведомление об этом

пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав пользователя на

работу с документом что предполагает дополнительный обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних уровней не имеют

средств позволяющих реализовать специфику такого взаимодействия Поэтому для его

организации требуются дополнительные надстройки над средствами транспортного и

нижележащих уровней В эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный

уровень уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или сессии) при

длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое (виртуальное) соединение между

двумя программами в общем случае функционирующими на разных компьютерах В

простейшем случае установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти необходимых для

приема и передачи данных После окончания передачи данных происходит закрытие

соединения предполагающее освобождение выделенных ресурсов Во многих случаях

этого недостаточно поэтому сессионный уровень предлагает более сложные механизмы

для организации сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая поддержка

осуществляется путем периодической отправки специальных тестовых пакетов при

получении которых участник соединения должен ответить Возвращаясь к

предложенному выше примеру следует отметить что установление соединения при

работе с удаленным документом позволяет один раз перед началом работы проверить

- 26 -

права доступа пользователя а также один раз передать запрос с именем файла В случае

если бы соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог бы

уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться дополнительное

преобразование Например это необходимо в случае если взаимодействующие

программы используют различные способы кодировки текстовой информации или если

для обеспечения защиты информации требуется осуществлять шифрование данных

Обеспечение подобных промежуточных преобразований возложено на уровень

представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными уровнями Они

позволяют осуществлять работу с различными информационными ресурсами сети

например файлами или сообщениями электронной почты Естественно что различные

типы ресурсов в общем случае требуют различных методов обработки и в том числе

методов сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI является

прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции работы с конкретными

информационными объектами В предложенном выше примере (чтение удаленного

документа) к функциям прикладного протокола относятся формирование запросов на

получение документа проверка прав доступа а также определение порядка пересылки

файлов и уведомлений об изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами определяемых

протоколами прикладного уровня часть функций сессионного уровня и уровня

представления может оказаться избыточной поэтому при программной реализации три

верхних уровня обычно объединяются

Модель сетевого взаимодействия

В 1984 году Международной Организацией по Стандартизации (International

Standard Organization ISO) была разработана модель взаимодействия

открытых систем (Open Systems Interconnection OSI) Модель представляет

собой международный стандарт для проектирования сетевых коммуникаций

и предполагает уровневый подход к построению сетей Каждый уровень

модели обслуживает различные этапы процесса взаимодействия

Посредством деления на уровни сетевая модель OSI упрощает совместную

работу оборудования и программного обеспечения Модель OSI разделяет

сетевые функции на семь уровней прикладной уровень представления

сессионный транспортный сетевой канальный и физический

Ниже дается краткая характеристика уровней модели

Физический уровень (Physical layer) определяет способ физического

соединения компьютеров в сети Функциями средств относящихся к

данному уровню являются побитовое преобразование цифровых

- 27 -

данных в сигналы передаваемые по физической среде (например по

кабелю) а также собственно передача сигналов

Канальный уровень(Data Link layer) отвечает за организацию передачи

данных между абонентами через физический уровень поэтому на

данном уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к обще линии связи В функции

данного уровня также входит упорядочивание передачи с целью

параллельного использования одной линии связи несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем

Сетевой уровень(Network layer) обеспечивает доставку данных между

компьютерами сети представляющей собой объединение различных

физических сетей Данный уровень предполагает наличие средств

логической адресации позволяющих однозначно идентифицировать

компьютер в объединенной сети Одной из главных функций

выполняемых средствами данного уровня является целенаправленная

передача данных конкретному получателю

Транспортный уровень(Transport layer) реализует передачу данных

между двумя программами функционирующими на разных

компьютерах обеспечивая при этом отсутствие потерь и дублирования

информации которые могут возникать в результате ошибок передачи

нижних уровней В случае если данные передаваемые через

транспортный уровень подвергаются фрагментации то средства

данного уровня гарантируют сборку фрагментов в правильном

порядке

Сессионный (или сеансовый) уровень (Session layer) позволяет двум

программам поддерживать продолжительное взаимодействие по сети

называемое сессией (session) или сеансом Этот уровень управляет

установлением сеанса обменом информацией и завершением сеанса

Он также отвечает за идентификацию позволяя тем самым только

определенным абонентам принимать участие в сеансе и обеспечивает

работу служб безопасности с целью упорядочивания доступа к

информации сессии

Уровень представления(Presentation layer) осуществляет

промежуточное преобразование данных исходящего сообщения в

общий формат который предусмотрен средствами нижних уровней а

также обратное преобразование входящих данных из общего формата в

формат понятный получающей программе

Прикладной уровень (Application layer) предоставляет

высокоуровневые функции сетевого взаимодействия такие как

передача файлов отправка сообщений по электронной почте и тп

Основные принципы уровневого взаимодействия

- 28 -

При уровневой организации процесса взаимодействия должны соблюдаться

следующие требования

компоненты одного уровня одной системы могут взаимодействовать с

компонентами только того же уровня другой системы

в рамках одной системы компоненты какого-либо уровня могут

взаимодействовать только с компонентами смежных (вышележащего и

нижележащего) уровней

Порядок уровневого взаимодействия

Набор правил определяющих порядок взаимодействия средств относящихся

к одному и тому же уровню и функционирующих в разных системах

называется протоколом (protocol) Правила взаимодействия между собой

средств относящихся к смежным уровням и функционирующих в одной

системе называются интерфейсом (interface)

Практическая реализация уровневого взаимодействия

На практике протоколы и интерфейсы регламентируют технические

требования предъявляемые к программным и аппаратным средствам

Программные (аппаратные) модули предназначенные для обеспечения

практического взаимодействия определяемого тем или иным протоколом

(или интерфейсом) обычно называют реализацией протокола (или

интерфейса)

Хотя различные компоненты относящиеся к различным уровням сетевой

модели формально должны быть функционально независимыми друг от

друга при практической разработке протоколов такая независимость не

всегда выдерживается Это объясняется тем что попытка добиться точного

соответствия эталонной модели может привести к неэффективности работы

программно-аппаратного обеспечения реализующего протокол В настоящее

время наблюдается два типа отклонений возникающих при реализации

уровневого взаимодействия

- 29 -

функции некоторых уровней могут объединяться одним протоколом и

наоборот ndash функции одного уровня могут делиться между различными

протоколами

функционирование протокола какого-либо уровня подразумевают

использование только определенных протоколов нижележащего

уровня

Поэтому разработка практических методов сетевого взаимодействия как

правило подразумевает разработку не отдельных протоколов а целых

наборов протоколов Такие наборы обычно включают в себя протоколы

относящиеся к нескольким смежным уровням эталонной модели OSI и

называются стеками (или семействами наборами) протоколов (protocol stack

protocol suite) Наиболее известным стеком протоколов обеспечивающим

взаимодействие в сети Интернет является стек протоколов TCPIP

Физический уровень

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Среда передачи

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Физический уровень определяет способ физического соединения

компьютеров в сети Основными функциями средств относящихся к

данному уровню является побитовое преобразование цифровых данных в

сигналы среды передачи а также собственно передача сигналов по

физической среде

Кабельные системы

- 30 -

Кабель (cable) используемый для построения компьютерных сетей

представляет собой сложную конструкцию состоящую в общем случае из

проводников изолирующих и экранирующих слоев В современных сетях

используются три типа кабеля

Еще одним важным понятием физического уровня является способ

соединения компьютеров с помощью физической среды или топология сети

Если сеть состоит всего из двух компьютеров то они соединяются

напрямую Такой способ соединения получил название точка-точка

(point-to-point)

Соединение типа точка-точка

Для обеспечения связи более чем двух компьютеров может использоваться

последовательность соединений типа точка-точка

Последовательность соединений типа точка-точка

Однако такой подход требует установки на большую часть компьютеров

нескольких устройств передачи данных

В качестве альтернативного подхода возможно использование более

сложных топологий позволяющих подключить к общей среде сразу

несколько компьютеров имеющих по одному устройству передачи данных

- 31 -

Выделяют три базовые топологии Шина (bus) Кольцо (ring)

Звезда(star)

Топология laquoШинаraquo

Топология Шина

Эта топология использует один передающий канал на базе коаксиального

кабеля называемый шиной Все сетевые компьютеры присоединяются

напрямую к шине На концах кабеля-шины устанавливаются специальные

заглушки - терминаторы (terminator) Они необходимы для того чтобы

погасить сигнал после прохождения по шине К недостаткам топологии

Шина следует отнести следующее

данные предаваемые по кабелю доступны всем подключенным

компьютерам

в случае повреждения шины вся сеть перестает функционировать

Топология laquoКольцоraquo

Топология Кольцо

Для топологии кольцо характерно отсутствие конечных точек соединения

сеть замкнута образуя неразрывное кольцо по которому передаются данные

Эта топология подразумевает следующий механизм передачи данные

передаются последовательно от одного компьютера к другому пока не

- 32 -

достигнут компьютера-получателя Недостатки топологии кольцо те же то

и у топологии шина

общедоступность данных

неустойчивость к повреждениям кабельной системы

Топология laquoЗвездаraquo

Топология Звезда

В сети с топологией звезда все компьютеры соединены со специальным

устройством называемым сетевым концентратором или хабом (hub)

который выполняет функции распределения данных Прямые соединения

двух компьютеров в сети отсутствуют Благодаря этому имеется

возможность решения проблемы общедоступности данных а также

повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы Однако

функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора

Физическая и логическая топологии

Следует отметить что термин топология может употребляться для

обозначения двух понятий ndash физической топологии и логической топологии

Физическая топология ndash способ физического соединения компьютеров с

помощью среды передачи например участками кабеля Логическая

топология определяет маршруты передачи данных в сети Во многих

случаях физическая топология однозначно определяет логическую

топологию Однако существуют такие конфигурации в которых логическая

топология отличается от физической Например сеть с физической

- 33 -

топологией laquoзвездаraquo может иметь логическую топологию laquoшинаraquo ndash все

зависит от того каким образом устроен сетевой концентратор

Кодированиедекодирование данных Как известно данные обрабатываемые

компьютером представляются в двоичном виде - как последовательность

нулей и единиц Однако понятия нуль и единица являются логическими

понятиями обозначающими электрические сигналы отличающиеся друг от

друга физическими параметрами и использующиеся для представления

информации в различных устройствах например оперативной памяти или

центральном процессоре В силу различных технических причин эти сигналы

не всегда могут передаваться по физическим каналам связи Поэтому они

должны быть преобразованы Процесс преобразования сигналов удобных

для компьютера в сигналы которые могут быть переданы по сети

называется физическим кодированием а обратное преобразование -

декодированием

Передача сигналов Информационные сигналы передаются по физическим

линиям связи последовательно В случае если между передающей и

принимающей сторонами параллельно существуют более одной линии

например проложено несколько кабелей то оказывается возможным

одновременно (параллельно) передавать несколько сигналов Если эти

сигналы представляют различные биты передаваемых данных то

повышается скорость информационного обмена Если же сигналы

представляют один и тот же бит данных - то повышается надежность

взаимодействия

Канальный уровень

Канальный уровень отвечает за организацию передачи данных

между абонентами через физический уровень поэтому на данном

уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к общему физическому

каналу В функции данного уровня также входит упорядочивание

передачи с целью обеспечения возможности параллельного

использования одного физического канала несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем Большинство функций канального уровня

выполняются устройствами передачи данных (например сетевым

- 34 -

адаптером)

Метод коммутации

дной из центральных проблем организации передачи данных по физическим

каналам является проблема параллельного использования одного и того же

канала несколькими парами абонентов Методы лежащие в основе ее

решения получили название методов коммутации

В настоящее время существует два основных метода коммутации

коммутация каналов и коммутация пакетов

Коммутация каналов предполагает что перед началом передачи данных

должна быть выполнена процедура установления соединения в результате

которой образуется составной канал По окончании сеанса связи соединение

разрывается и канал освобождается Классическим примером реализации

коммутации каналов является телефонная связь которая подразумевает что

абонент перед началом разговора набирает номер второго абонента в

результате чего последовательное переключение промежуточных

коммутаторов позволяет образовать непрерывный канал связи между

абонентами Коммутация каналов удобна для организации линий связи в

которых подразумевается передача потоков данных постоянной

интенсивности например таких как телефонный разговор в силу чего этот

метод оказывается недостаточно гибким при построении компьютерных

сетей

Метод коммутации пакетов основан на разбиении передаваемых по сети

данных на небольшие порции Каждая такая порция передается по сети

как единое целое и называется пакетом Такой метод является очень

удобным для параллельного использования физического канала несколькими

парами абонентов канал является занятым только во время прохождения

пакета Временные промежутки между передачей пакетов одним абонентам

могут быть использованы другими для отправки собственных пакетов

Пакет обычно состоит из двух частей ndash заголовка содержащего служебные

данные необходимые для управления доставкой пакета и собственно

данных подлежащих передаче Порядок обмена пакетами а также

конкретный состав заголовка пакетов определяется сетевым протоколом

Для именования пакетов различных уровней модели OSI используются

специальные термины Для канального уровня используется термин кадр

для сетевого ndash пакет для транспортного ndash сегмент дейтаграмма для

сессионного и более высоких уровней ndash сообщение

- 35 -

Протоколы канального уровня

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена

способ представления информации а также необходимый набор правил

позволяющий упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток

битов Перед передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с

принципом пакетной коммутации разделяется на порции каждая из

которых снабжается заголовком содержащим некоторую служебную

информацию те формируется пакет На канальном уровне пакет называется

кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает

протокол Сложность канальных протоколов во многом определяется

сложностью топологии сети Очевидно что организовать общение всего двух

абонентов существенно проще чем упорядочивать информационный обмен в

сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких пар

абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Структура кадра данных

Состав заголовка кадра зависит от многих факторов определяемых набором

функций которые выполняет протокол Тем не менее можно выделить ряд

информационных полей которые обычно присутствуют в заголовке кадра К

таким полям относятся

1 Специальные поля предназначенные для определения границ кадров

Поскольку в физической среде могут постоянно проходить какие-либо

сигналы то сетевые адаптеры должны уметь разбираться в том когда

начинается передача кадра и когда она заканчивается

2 Поле предназначенное для определения протокола сетевого уровня

которому необходимо передать данные Так как на одном компьютере могут

функционировать программные модули различных протоколов сетевого

уровня то протоколы канального уровня должны уметь распределять данные

по этим протоколам

3 Контрольная сумма (или специальный код) содержимого кадра которая

позволяет принимающей стороне определить наличие ошибок в принятых

данных Принцип ее использования состоит в следующем Сетевой адаптер

отправляющего компьютера после формирования кадра вычисляет значение

- 36 -

его контрольной суммы на основе содержимого и помещает это значение в

заголовок кадра Принимающая сторона также вычисляет контрольную

сумму полученного кадра и сравнивает его со значением помещенным в

заголовке Если они не совпадают то это означает что во время передачи

кадра произошла ошибка

4 Поля предназначенные для адресации абонентов в сложных сетях

(определены для протоколов применяемых в сетях базирующихся на

сложных топологиях)

Обобщенная структура кадра данных

Протоколы для сетей сложных топологий

Протоколы канального уровня этой группы являются более сложными чем

протоколы использующиеся в сетях типа точка-точка так как вынуждены

выполнять ряд дополнительных функций Основными функциями являются

Выделение на всем множестве компьютеров подключенных к сети

конкретного абонента с которым осуществляется информационный обмен

то есть адресация

Адресация абонентов

Упорядочивание доступа к среде передачи в случае когда нескольким парам

абонентов требуется осуществить передачу данных

Для обеспечения адресации абонентов в заголовке кадров должны

присутствовать следующие поля

- 37 -

1 Адрес отправителя ndash некоторое число (или набор чисел) позволяющее

идентифицировать сетевой адаптер (а следовательно и компьютер в

котором она установлена) который осуществил передачу кадра данных в

сеть Адреса присваиваются сетевым адаптерам на заводе-изготовителе и

как правило не изменяются в дальнейшем хотя большинство современных

адаптеров позволяют перепрограммировать сетевой адрес

Протоколы канального уровня и сетевые технологии

Функциональный состав того или иного протокола канального уровня во

многом определяется особенностями физического уровня например

топологией сети или типом среды передачи Поэтому при проектировании

сетевого взаимодействия используются и разрабатываются комплексные

стандарты получившие название сетевых технологий

Сетевая технология ndash это набор стандартов определяющий минимальный

состав программно-аппаратных средств достаточный для организации

взаимодействия компьютеров в сети Как правило сетевая технология

определяет топологию сети а также протокол канального уровня (формат

кадра порядок обмена кадрами MTU)

В настоящее время существует большое количество сетевых технологий и

соответственно определяемых ими протоколов канального уровня

Рассмотрим для примера одну из наиболее популярных в настоящее время

технологий ndash технологию локальных сетей Ethernet Эта технология

предполагает что сеть должна строиться на основе физических топологий

шина если используется коаксиальный кабель или звезда если

используется кабель типа витая пара В зависимости от типа используемого

кабеля скорость передачи данных лежит в диапазоне 10-100 Мбитс В

качестве метода доступа к среде передачи используется метод обнаружения

коллизий (CSMACD) Что касается формата кадра то в настоящее время на

практике используются 4 варианта кадров Ethernet отличающихся друг от

друга но все они согласуются с общими положениями изложенными ранее

Максимальный объем данных передаваемых в одном кадре (MTU) в

технологии Ethernet не может превышать 1500 байт

Помимо технологии Ethernet в настоящее время в локальных сетях широко

используются технологии AppleTalk FDDI и ATM В глобальных сетях

широко распространены технологии ATM FrameRelay ISDN и SMDS

Существует также ряд технологий использующихся для организации

беспроводных сетей Наиболее популярной технологией применяемой при

- 38 -

построении локальных сетей в настоящее время является технология

RadioEthernet Она предполагает передачу данных в двух УКВ-диапазонах

около 915 МГЦ и 2400-24835 МГц а также в инфракрасном спектре

Диапазон 915 МГц в России и Европе достаточно сильно загружен

средствами связи (сотовая телефония) поэтому он используется как

правило для организации сетей внутри зданий хотя технически позволяет

осуществлять передачу на значительные расстояния Это же ограничение

распространяется и на инфракрасный диапазон поскольку инфракрасные

лучи чувствительны к погодным условиям В зависимости от того какой

режим передачи используется сети RadioEthernet позволяют осуществлять

передачу данных со скоростью 2 - 10 Мбитс Технология RadioEthernet

предполагает построение сетей на базе топологий точка-точка и звезда В

качестве метода доступа используется метод предупреждения коллизий

(CSMACA)

Наряду с кабельными и беспроводными технологиями существуют также

технологии предполагающие комбинирование различных типов физической

среды передачи Обычно они применяются для построения асимметричных

сетей небольшие по объему запросы пользовательских компьютеров

передаются по кабельным каналам например с использованием телефонных

линий и модемов а прием осуществляется через спутниковый радиоканал

Объединение сетей на канальном уровне

Сложные сети в общем случае представляют собой совокупность

нескольких сетей Такие сети называются объединенными сетями

(internetwork)

Необходимость объединения сетей может быть вызвана разными причинами

Прежде всего это - преодоление технических ограничений среды передачи

например максимального расстояния передачи данных Кроме того

построение сети как объединенной позволяет повысить надежность (выход

из строя одной физической среды не влияет на работу остальных) и

обеспечить определенный уровень конфиденциальности (данные

передаваемые между компьютерами одной физической среды оказываются

недоступными компьютерам других сетей)

Для построения объединенных сетей требуются специальные устройства

которые позволяют подключать к себе две (или более) сети Наиболее

простым устройством такого вида является мост (bridge)

Мост

- 39 -

Принцип функционирования моста достаточно прост для подключения сетей

мост располагает несколькими портами с каждым из которых связываются

записи так называемой адресной таблицы содержащей список адресов

компьютеров сетей подключенных к мосту Когда мост получает кадр

данных то он передает его в сеть через порт который согласно таблице

соответствует адресу получателя В случае если адрес получателя не

обнаружен в адресной таблице то кадр передается во все сети Адресные

таблицы мостов как правило строятся на основе анализа кадров

передаваемых по сетям

Функции сетевого уровня

Сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе

различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне

достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети

но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети

с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это

объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

адресации определенных различными технологиями Поэтому для

обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства

представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую

абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых

технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого

уровня модели OSI

Очевидно что устройства этого уровня предназначенные для объединения

сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального

уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную

передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть

определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку

составной сети Процесс определения пути прохождения данных через

подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства

объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название

маршрутизаторов

- 40 -

Протокол IP

Протокол IP (Internet Protocol) входит в состав стека протоколов TCPIP и

является основным протоколом сетевого уровня использующимся в

Интернет и обеспечивающим единую схему логической адресации устройств

в сети и маршрутизацию данных

Для выполнения своих функций протокол определяет свой собственный

формат пакета Основными информационными полями заголовка пакета

являются

IP-адреса отправителя и получателя ndash предназначены для

идентификации отправителя и получателя (см IP-адресация)

Время жизни пакета (Time To Live TTL) - определяет время которое

IP-пакет может находиться в сети и предназначено для

предотвращения захламления сети заблудившимися пакетами

поля предназначенные для фрагментации пакетов (см IP-

фрагментация)

поля предназначенные для управления обработкой пакета (длина

пакета и заголовка контрольная сумма заголовка тип обслуживания и

тд)

Существует 5 классов IP-адресов ndash A B C D E Принадлежность IP-

адреса к тому или иному классу определяется значением первого

октета (W) Ниже показано соответствие значений первого октета и

классов адресов

Класс IP-адреса A B C D E

Диапазон первого

октета

1-

126

128-

191

192-

223

224-

239

240-

247

IP-адреса первых трех классов предназначены для адресации

отдельных узлов и отдельных сетей Такие адреса состоят из двух

частей ndash номера сети и номера узла Такая схема аналогична схеме

почтовых индексов ndash первые три цифры кодируют регион а остальные

ndash почтовое отделение внутри региона

Преимущества двухуровневой схемы очевидны она позволяет во-

первых адресовать целиком отдельные сети внутри составной сети

что необходимо для обеспечения маршрутизации а во-вторых ndash

присваивать узлам номера внутри одной сети независимо от других

сетей Естественно что компьютеры входящие в одну и ту же сеть

должны иметь IP-адреса с одинаковым номером сети

- 41 -

IP-Маршрутизация ndash процесс выбора пути для передачи пакета в сети Под

путем (маршрутом) понимается последовательность маршрутизаторов через

которые проходит пакет по пути к узлу-назначению IP-маршрутизатор ndash это

специальное устройство предназначенное для объединения сетей и

обеспечивающее определение пути прохождения пакетов в составной сети

Маршрутизатор должен иметь несколько IP-адресов с номерами сетей

соответствующими номерам объединяемых сетей

Как известно для разных сетевых технологий значение MTU определенное

для кадров данных может отличаться Поэтому при преобразовании кадров

на маршрутизаторе может потребоваться разделение вложенных в них IP-

пакетов на более мелкие пакеты

Для разделения пакетов на фрагменты модуль IP установленный на

маршрутизаторе создает на его основе некоторое число новых пакетов (в

соответствии с длиной исходного пакета и значения MTU для сети куда

должны быть переданы данные) Для того чтобы данные могли быть

правильно собраны получателем в заголовки новых IP-пакетов помещается

специальный числовой идентификатор позволяющий однозначно

определить что эти пакеты являются фрагментами одного большого пакета

Кроме того в заголовках также указывается положения фрагментов в

исходном пакете что позволяет обеспечить правильный порядок сборки

получателем

Вспомогательные протоколы сетевого уровня стека TCPIP

Главными функциями протокола IP является обеспечение единой схемы

адресации независимой от принципов адресации определяемых сетевыми

технологиями (адресацией канального уровня) а также передача данных по

составной сети (маршрутизация и фрагментация пакетов) Однако для

организации реального взаимодействия этого оказывается недостаточно -

существует еще ряд проблем

Первая проблема состоит в следующем Для того чтобы передать данные по

сети программное обеспечение протокола IP создает пакет и передает его

средствам канального уровня При этом средствам канального уровня для

формирования кадра данных необходим адрес получателя причем не

логический IP-адрес а MAC-адрес который может быть правильно опознан

сетевым адаптером принимающего компьютера Однако спецификацией

протокола IP не предусмотрен механизм позволяющий определять

соответствие между аппаратными и IP-адресами Эту функцию выполняет

вспомогательный протокол сетевого уровня ARP (Address Resolution

Protocol) входящий в семейство протоколов TCPIP

- 42 -

Другая серьезная проблема состоит в том что если при обработке IP-пакета

на маршрутизаторе возникли какие-то проблемы например истекло время

жизни пакета то отправитель о них не узнает поскольку механизм

обратной связи также не предусмотрен спецификацией протокола IP Для

решения этой проблемы используется специальный протокол сетевого

уровня ICMP (Internet Control Message Protocol) входящий в стек протоколов

TCPIP и обеспечивающий передачу управляющей информации и

информации об ошибках

В семействе протоколов TCPIP предусмотрен также ряд других

вспомогательных протоколов например протоколы динамической

маршрутизации обеспечивающие обмен информацией между

маршрутизаторами с целью автоматизации построения таблиц

маршрутизации

Транспортный уровень

Функции транспортного уровня

Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных между

устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд)

Однако не следует забывать что на одном узле может функционировать

параллельно несколько программ которым требуется доступ к сети

Следовательно данные внутри компьютерной системы должны

распределяться между программами Поэтому при передаче данных по сети

недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо также

идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является

отсутствие средств позволяющих передавать большие массивы данных

Когда исходные данные превышают максимально допустимый размер пакета

сетевого уровня то эти данные должны быть разбиты на порции каждая из

которых передается в сеть отдельным пакетом Однако каждый пакет

сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других блок

данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и

следовательно ndash обнаружить нарушение целостности общего массива

данных Поэтому средства транспортного уровня обеспечивают отсутствие

потерь информации Такой режим передачи данных получил название

гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой

- 43 -

функциональную надстройку над сетевым уровнем и решают две основных

задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

обеспечение гарантированной доставки массивов данных

произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash

UDP обеспечивающий негарантированную доставку данных между

программами и TCP обеспечивающий гарантированную доставку с

установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной

уровень

Компоненты четырех нижних уровней модели OSI (физического канального

сетевого и транспортного) представляют собой механизм обеспечивающий

доставку данных любого типа и произвольного объема между программами

работающими на разных узлах составной сети Однако при работе в сети

пользователям требуется не просто пересылка данных а выполнение каких-

либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех

возможностей которые предоставляют средства нижних уровней

недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо

просмотреть документ расположенный не на его локальном компьютере а

на удаленной машине Решение такой задачи предполагает как минимум

прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса

содержащего имя документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного

компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной

машины изменений вносимых в этот документ другими пользователями и

уведомление об этом пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав

пользователя на работу с документом что предполагает дополнительный

- 44 -

обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних

уровней не имеют средств позволяющих реализовать специфику такого

взаимодействия Поэтому для его организации требуются дополнительные

надстройки над средствами транспортного и нижележащих уровней В

эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный уровень

уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или

сессии) при длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое

(виртуальное) соединение между двумя программами в общем случае

функционирующими на разных компьютерах В простейшем случае

установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти

необходимых для приема и передачи данных После окончания передачи

данных происходит закрытие соединения предполагающее освобождение

выделенных ресурсов Во многих случаях этого недостаточно поэтому

сессионный уровень предлагает более сложные механизмы для организации

сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая

поддержка осуществляется путем периодической отправки специальных

тестовых пакетов при получении которых участник соединения должен

ответить Возвращаясь к предложенному выше примеру следует отметить

что установление соединения при работе с удаленным документом позволяет

один раз перед началом работы проверить права доступа пользователя а

также один раз передать запрос с именем файла В случае если бы

соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог

бы уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться

дополнительное преобразование Например это необходимо в случае если

взаимодействующие программы используют различные способы кодировки

текстовой информации или если для обеспечения защиты информации

требуется осуществлять шифрование данных Обеспечение подобных

промежуточных преобразований возложено на уровень представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными

уровнями Они позволяют осуществлять работу с различными

информационными ресурсами сети например файлами или сообщениями

электронной почты Естественно что различные типы ресурсов в общем

случае требуют различных методов обработки и в том числе методов

сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI

- 45 -

является прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции

работы с конкретными информационными объектами В предложенном выше

примере (чтение удаленного документа) к функциям прикладного протокола

относятся формирование запросов на получение документа проверка прав

доступа а также определение порядка пересылки файлов и уведомлений об

изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами

определяемых протоколами прикладного уровня часть функций сессионного

уровня и уровня представления может оказаться избыточной поэтому при

программной реализации три верхних уровня обычно объединяются

Page 8: - 3 - ВВЕДЕНИЕicm.muctr.ru/study/computers/inf001.pdf · 2016-08-25 · - 7 - А) Количество информации как мера уменьшения неопределенности

- 10 -

Глава 2 АРХИТЕКТУРА ЭВМ

21 История развития средств вычислительной техники ndash пять

поколений ЭВМ

22 Блок- схема ЭВМ (блок-схема по Нейману)

23 Блок- схема ПК Принцип открытой архитектуры

24 Характеристики вычислительных систем

25 Центральный процессор и микропроцессор

26 Системная плата

27 Внутренняя и внешняя память

210 Устройства ввода-вывода данных

Структура ЭВМ фон Неймана

Код

операции

Признаки

Команды

Операнды

Результаты

Исходные

данные

Программа

УВВ

ОЗУ

ВЗУ

АЛУ

УУ

Результаты

Адреса

- 11 -

bull Принципы Джон фон Неймана 1) принцип программного управления (программа состоит из набора команд которые выполняются процессором друг за другом в определенной последовательности) 2) принцип однородности памяти (программы и данные хранятся в одной и той же памяти) 3) принцип адресности (ОП состоит из пронумерованных ячеек и процессору в любой момент времени доступна любая ячейка)

- 12 -

Поколения ЭВМ

1На основе электронных ламп

2На основе электронных ламп и

дискретных транзисторных

логических элементов

3Семейства машин с единой

архитектурой

интегральные схемы

4Проектировались в расчете на

эффективное использование

современных высокоуровневых

языков

Поколения ЭВМ

1На основе электронных ламп

2На основе электронных ламп и

дискретных транзисторных

логических элементов

3Семейства машин с единой

архитектурой

интегральные схемы

4Проектировались в расчете на

эффективное использование

современных высокоуровневых

языков

- 13 -

Т

Основы построения ЭВМ

bull Принципы функционирования

универсальных вычислительных

устройств

bull 1 Принцип программного управления

bull 2 Принцип однородности памяти

bull 3 Принцип адресности

Поколения ЭВМ

- 14 -

Языки

сверхвысокого

Уровня

Сенсорные

Устройства

Оптические

диски

ДоскаСверхбольшие

Интегральные

схемы

90-нв5

Языки высокого

уровня

Интерактивные

устройства

ВинчестерыСтолБольшие

интеграль

ные

схемы

(БИС)

70ndash804

Алгоритмические

языки

ДисплеиМагнитные

диски

ШкафИнтегральные

схемы (ИС)

60ndash703

Автокоды

(ассемблер)

ТелетайпыМагнитные

ленты

КомнатаТранзисторы50ndash602

Машинные

языки

ПерфораторыМагнитный

барабан

Машинный

зал

Лампы40ndash501

ЯзыкиInoutНакопителиГабаритыЭлементыГодыПоколение

Глава 3 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

31 Развитие программного обеспечения

32Состав Microsoft Office

33 История языков программирования

Microsoft Word (часто mdash MS Word WinWord или просто Word) mdash это текстовый

процессор предназначенный для создания просмотра и редактирования текстовых

документов с локальным применением простейших форм таблично-матричных

алгоритмов Текстовый процессор выпускается корпорацией Microsoft в составе

пакета Microsoft Office Первая версия была написана Ричардом Броди (Richard

Brodie) для IBM PC использующих DOS в 1983 году Позднее выпускались версии

для Apple Macintosh (1984) SCO UNIX и Microsoft Windows (1989)

Microsoft Word многим обязан Bravo mdash текстовому процессору с оригинальным

графическим интерфейсом разработанному в исследовательском центре laquoXerox

PARCraquo Создатель Bravo Чарльз Симони (Charles Simonyi) покинул PARC в 1981

году Тем же летом Симони переманил Броди с которым вместе работал над Bravo

Первый выпуск Word для MS-DOS состоялся в конце 1983 года Он был плохо принят

рынком продажи снижало наличие конкурирующего продукта mdash WordPerfect

Однако версия для Макинтоша выпущенная в 1985 году получила широкое

распространение Через два года laquoWord 301 для Macintoshraquo усилил позиции (версия 30

изобиловала ошибками и быстро была заменена) Как и прочее программное обеспечение

для Макинтоша Word был полностью WYSIWYG-редактором (принцип laquoWhat You See Is

What You Getraquo mdash laquoполучаю то что вижуraquo)

- 15 -

Хотя MS-DOS и являлась текстовой операционной системой лишѐнной графической

оболочки Word для DOS был первым текстовым процессором для IBM PC который был

способен отображать разметку текста например полужирный или курсивный текст в

процессе редактирования Однако он всѐ же не являлся в полном смысле WYSIWYG-

редактором Другие же текстовые процессоры такие как WordStar и WordPerfect

использовали простой текстовый экран с кодами разметки иногда текст был цветным

Однако поскольку в большинстве программного обеспечения под DOS применялись

собственные труднозапоминаемые комбинации laquoгорячих клавишraquo для каждой команды

(например в Wordrsquoе для DOS сохранение файла выполнялось по комбинации ESC-T-S) и

большинство секретарей умели пользоваться только WordPerfect компании весьма

неохотно переходили на конкурирующие с ним продукты имеющие сравнительно

небольшие преимущества

Первая версия Word для Windows выпущенная в 1989 году продавалась по цене 500

долларов США Она демонстрировала выбранный компанией Майкрософт путь развития

как и сама Windows она многое взяла от Macintosh и использовала стандартные

клавиатурные сокращения (например CTRL-S для сохранения файла) После выпуска в

следующем году Windows 30 продажи поползли вверх (Word 10 гораздо лучше работал с

Windows 30 чем с более старыми версиями Windows386 и Windows286) главный

конкурент mdash WordPerfect mdash не смог выпустить рабочую версию под Windows что

оказалось для него смертельной ошибкой Версия 20 утвердила WinWord на позиции

лидера рынка

У Word для Macintosh никогда не было серьѐзных конкурентов даже несмотря на наличие

программ вроде Nisus предоставлявшую возможность выделения нескольких несвязных

кусков текста (появившуюся только в Word 2002 из Office XP) и несмотря на мнение

многих пользователей об отсутствии кардинальных различий между версиями 301

выпущенной в 1987 году и версией 50 выпущенной в 1991 Однако версия 60 для

Macintosh вышедшая в 1994 году была многими воспринята довольно скептически Это

была первая версия без значительных отличий в коде ядра между версиями под Windows и

под Mac Версия под Windows следовавшая за 20 была пронумерована как 60 для

координации названия версий под разные платформы

Последовавшие версии добавляли возможности выходящие за рамки простого текстового

процессора Инструменты рисования позволяли выполнять примитивные операции

вѐрстки такие как добавление графики в документ хотя естественно

специализированные программы для вѐрстки лучше справляются с этими задачами

Внедрение объектов сравнение версий документа мультиязычная поддержка и многие

другие возможности были добавлены за последовавшие несколько лет

Microsoft Word является наиболее популярным из используемых в данный момент

текстовых процессоров что сделало его бинарный формат документа стандартом де-

факто и многие конкурирующие программы имеют поддержку совместимости с данным

форматом Расширение laquodocraquo на платформе IBM PC стало синонимом двоичного формата

Word 97mdash2000 Фильтры экспорта и импорта в данный формат присутствуют в

большинстве текстовых процессоровФормат документа разных версий Word меняется

различия бывают довольно тонкими Форматирование нормально выглядящее в

последней версии может не отображаться в старых версиях программы однако есть

ограниченная возможность сохранения документа с потерей части форматирования для

открытия в старых версиях продукта Последняя версия MS Word 2007 использует по

умолчанию формат основанный на XML - Microsoft Office Open XML Спецификация

- 16 -

форматов файлов Word 97-2007 были опубликован Microsoft в 2008 году[1][2]

Ранее

большая часть информации нужной для работы с данным форматом добывалась

посредством обратного инжиниринга поскольку основная еѐ часть отсутствовала в

открытом доступе или была доступна лишь ограниченному числу партнеров и

контролирующих организаций

Как и прочие приложения из Microsoft Office Word может расширять свои возможности

посредством использования встроенного макроязыка (сначала использовался WordBasic с

версии Word 97 применяется VBA mdash Visual Basic для приложений) Однако это

предоставляет широкие возможности для написания встраиваемых в документы вирусов

(так называемые laquoмакровирусыraquo) Наиболее ярким примером была эпидемия червя

Melissa В связи с этим многие считают разумной рекомендацию всегда выставлять

наивысший уровень настроек безопасности при использовании Word (Меню

laquoToolsgtMacrogtSecurityraquo laquoСервисgtМакросgtБезопасностьhellipraquo в локализованных русских

версиях) Также нелишним будет использовать антивирусное программное обеспечение

Первым вирусом заражавшим документы Microsoft Word был DMV созданный в декабре

1994 года Дж МакНамарой для демонстрации возможности создания макровирусов

Первым же вирусом попавшим в дикую природу и вызвавшим первую в мире

эпидемию макровирусов (это произошло в июле-августе 1995 г) был Concept

12 августа 2009 года суд штата Техас запретил продажу программы Word на территории

США в связи с тем что Microsoft незаконно использует метод чтения XML-файлов

патент на который принадлежит канадской компании i4i [3]

В 1982 году Microsoft запустила на рынок первый электронный табличный процессор

Multiplan который был очень популярен на CPM системах но на MS-DOS системах он

уступал Lotus 1-2-3 Первая версия Excel предназначалась для Mac и была выпущена в

1985 году а первая версия для Windows была выпущена в ноябре 1987 года Lotus не

торопилась выпускать 1-2-3 под Windows и Excel с 1988 года начала обходить по

продажам 1-2-3 что в конечном итоге помогло Microsoft достичь позиций ведущего

разработчика программного обеспечения Microsoft укрепляла свое преимущество с

выпуском каждой новой версии что имело место примерно каждые два года Текущая

версия для платформы Windows mdash Excel 12 также известная как Microsoft Office Excel

2007 Текущая версия для платформы Mac OS X mdash Microsoft Excel 2008

В начале своего пути Excel стал причиной иска о товарном знаке от другой компании уже

продававшей пакет программ под названием laquoExcelraquo В результате спора Microsoft был

обязана использовать название laquoMicrosoft Excelraquo во всех своих официальных пресс-

релизах и юридических документах Однако со временем эта практика была позабыта и

Microsoft окончательно устранила проблему приобретя товарный знак другой программы

Microsoft также решила использовать буквы XL как сокращенное название программы

иконка Windows-программы состоит из стилизованного изображения этих двух букв а

расширение файлов по умолчанию в Excel mdash xls В сравнении с первыми табличными

процессорами Excel представляет множество новых функций пользовательского

интерфейса но суть остается прежней как и в программе-родоначальнике VisiCalc

ячейки расставляются в строки и столбцы и могут содержать данные или формулы с

относительными или абсолютными ссылками на другие клетки

Excel был первым табличным процессором позволявшим пользователю менять внешний

вид таблицы (шрифты символы и внешний вид ячеек) Он также первым представил

метод умного пересчета ячеек когда обновляются только те ячейки которые зависят от

- 17 -

измененных ячеек (раньше табличные процессоры либо постоянно пересчитывали все

ячейки или ждали команды пользователя)

Будучи впервые объединенными в Microsoft Office в 1993 году Microsoft Word и Microsoft

PowerPoint получили новый графический интерфейс для соответствия Excel главного

стимула модернизации ПК в то время

Начиная с 1993 года в состав Excel входит Visual Basic для приложений (VBA) язык

программирования основанный на Visual Basic позволяющий автоматизировать задачи

Excel VBA является мощным дополнением к приложению и в более поздних версиях

Excel доступна полнофункциональная интегрированная среда разработки Можно создать

VBA-код повторяющий действия пользователя и таким образом автоматизировать

простые задачи VBA позволяет создавать формы для общения с пользователем Язык

поддерживает использование (но не создание) DLL от ActiveX более поздние версии

позволяют использовать элементы объектно-ориентированного программирования

Функциональность VBA делала Excel легкой мишенью для макровирусов И это было

серьезной проблемой до тех пор пока антивирусные продукты не научились

обнаруживать их Фирма Microsoft с опозданием приняв меры для уменьшения риска

добавила возможность выбора режима безопасности

Идея PowerPoint появилась у Боба Гаскинса (Bob Gaskins) студента университета Беркли

который решил что наступает век графических интерактивных материалов В 1984 году

Гаскинс присоединился к провальной компании Forethought и нанял разработчика

Денниса Остина (Dennis Austin) Боб и Деннис объединили усилия и создали программу

Presenter Деннис создал оригинальную версию программы с Томом Рудкиным (Tom

Rudkin) Позже Боб решил сменить имя на PowerPoint которое и стало названием

конечного продукта

В 1987 году вышел PowerPoint 10 для Apple Macintosh Он работал в черно-белом цвете

Вскоре появились цветные Macintosh и новая версия PowerPoint не заставила себя ждать

Программное руководство с первой редакцией было уникально Это была книга синего

цвета в твердом переплете Компания Forethought считала что это лучше чем куча

исполняемых файлов помощи на компьютере и инструкций в электронном виде Но

обновление инструкции было необоснованно дорого Идея с подобными книгами была

вскоре заброшена

Позже в 1987 году Forethought и ее продукт были куплены Microsoft за 14 млн $ В 1990

году вышла версия для Windows C 1990 года PowerPoint стал стандартом в наборе

программ Microsoft Office

В 2002 году вышла версия PowerPoint которая не только была включена в пакет Microsoft

Office XP но также распространялась как отдельный продукт В нем появились такие

функции как сравнение и смешение изменений в презентации возможность задавать пути

анимации для индивидуальных форм создание пирамидальных радиальных и целевых

диаграмм а также кругов Эйлера панель задач для просмотра и выбора объектов буфера

обмена защита презентации паролем автоматическая генерация фотоальбома а также

―умные теги для быстрого выбора формата текста скопированного в презентацию

Microsoft PowerPoint 2003 не сильно отличается от предшественника Он увеличивает

эффективность работы в группе и теперь имеет возможность создания ―Пакета для CD

- 18 -

который легко позволяет скопировать презентацию с мультимедийным содержанием и

просмотрщик на компакт диск

Текущая версия Power Point 2007 привносит основные изменения в интерфейс программы

и увеличивает графические возможности

PowerPoint является частью Microsoft Office Это позволило PowerPoint стать наиболее

распространенной во всем мире программой для создания презентаций Файлы

презентаций PowerPoint часто пересылаются пользователями программы на другие

компьютеры что означает необходимую совместимость с ними программ конкурентов

Однако поскольку Power Point имеет возможность подключения элементов других

приложений через OLE некоторые презентации становятся сильно привязанными к

платформе Windows что делает невозможным открытие данных файлов например в

версии для Mac OS Это привело к переходу на открытые стандарты такие как PDF и

OASIS OpenDocument

Глава 4 АЛГОРИТМИЗАЦИЯ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

41 Структурный подход к разработке алгоритмов и программ

42 Основные структуры и операторы VBA

43 Примеры на VBA

- 19 -

Глава 5ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ

Компьютерные сети

Понятие компьютерной сети

Компьютерная сеть (Computer Network) ndash это множество компьютеров соединенных

линиями связи и работающих под управлением специального программного обеспечения

Под линией связи обычно понимают совокупность технических устройств и

физической среды обеспечивающих передачу сигналов от передатчика к приемнику В

реальной жизни примерами линий связи могут служить участки кабеля и усилители

обеспечивающие передачу сигналов между коммутаторами телефонной сети На основе

линий связи строятся каналы связи

Каналом связи обычно называют систему технических устройств и линий связи

обеспечивающую передачу информации между абонентами Соотношение между

понятиями канал и линия описывается следующим образом канал связи может

включать в себя несколько разнородных линий связи а одна линия связи может

использоваться несколькими каналами

Главной целью объединения компьютеров в сеть является предоставление пользователям

возможности доступа к различным информационным ресурсам (например документам

программам базам данных и тд) распределенным по этим компьютерам и их

совместного использования

Важной характеристикой любой компьютерной сети является широта территории

которую она охватывает Широта охвата определятся взаимной удаленностью

компьютеров составляющих сеть и следовательно влияет на технологические решения

выбираемые при построении сети Классически выделяют два типа сетей локальные сети

и глобальные сети

К локальным сетям (Local Area Network LAN) обычно относят сети компьютеры

которых сосредоточены на относительно небольших территориях (как правило в радиусе

до 1-2 км) Классическим примером локальных сетей является сеть одного предприятия

расположенного в одном или нескольких стоящих рядом зданиях Небольшой размер

локальных сетей позволяет использовать для их построения достаточно дорогие и

высококачественные технологии что обеспечивает высокую скорость обмена

информацией между компьютерами

Глобальные сети (Wide Area Network WAN) ndash это сети предназначенные для

объединения отдельных компьютеров и локальных сетей расположенных на

значительном удалении (сотни и тысячи километров) друг от друга Поскольку

организация специализированных высококачественных каналов связи большой

протяженности является достаточно дорогой то в глобальных сетях нередко

используются уже существующие и изначально не предназначенные для построения

компьютерных сетей линии (например телефонные или телеграфные) В связи с этим

скорость передачи данных в таких сетях существенно ниже чем в локальных

Независимо от того какую территорию покрывает сеть какие технологические решения

лежат в основе ее организации существуют общие принципы сетевого взаимодействия

которым должно подчиняться функционирование сети Именно выработка таких общих

- 20 -

принципов способствовала в свое время появлению Интернет (Internet) как объединенной

сети (иногда даже используется термин гиперсеть) собравшей в своем составе

локальные городские и глобальные сети всей планеты

Модель сетевого взаимодействия

В 1984 году Международной Организацией по Стандартизации (International Standard

Organization ISO) была разработана модель взаимодействия открытых систем (Open

Systems Interconnection OSI) Модель представляет собой международный стандарт для

проектирования сетевых коммуникаций и предполагает уровневый подход к построению

сетей Каждый уровень модели обслуживает различные этапы процесса взаимодействия

Посредством деления на уровни сетевая модель OSI упрощает совместную работу

оборудования и программного обеспечения Модель OSI разделяет сетевые функции на

семь уровней прикладной уровень представления сессионный транспортный сетевой

канальный и физический

Физический уровень (Physical layer) определяет способ физического соединения

компьютеров в сети Функциями средств относящихся к данному уровню являются

побитовое преобразование цифровых данных в сигналы передаваемые по физической

среде (например по кабелю) а также собственно передача сигналов

Канальный уровень(Data Link layer) отвечает за организацию передачи данных между

абонентами через физический уровень поэтому на данном уровне предусмотрены

средства адресации позволяющие однозначно идентифицировать отправителя и

получателя во всем множестве абонентов подключенных к обще линии связи В функции

данного уровня также входит упорядочивание передачи с целью параллельного

использования одной линии связи несколькими парами абонентов Кроме того средства

канального уровня обеспечивают проверку ошибок которые могут возникать при

передаче данных физическим уровнем

Сетевой уровень(Network layer) обеспечивает доставку данных между компьютерами

сети представляющей собой объединение различных физических сетей Данный уровень

предполагает наличие средств логической адресации позволяющих однозначно

- 21 -

идентифицировать компьютер в объединенной сети Одной из главных функций

выполняемых средствами данного уровня является целенаправленная передача данных

конкретному получателю

Транспортный уровень(Transport layer) реализует передачу данных между двумя

программами функционирующими на разных компьютерах обеспечивая при этом

отсутствие потерь и дублирования информации которые могут возникать в результате

ошибок передачи нижних уровней В случае если данные передаваемые через

транспортный уровень подвергаются фрагментации то средства данного уровня

гарантируют сборку фрагментов в правильном порядке

Сессионный (или сеансовый) уровень (Session layer) позволяет двум программам

поддерживать продолжительное взаимодействие по сети называемое сессией (session)

или сеансом Этот уровень управляет установлением сеанса обменом информацией и

завершением сеанса Он также отвечает за идентификацию позволяя тем самым только

определенным абонентам принимать участие в сеансе и обеспечивает работу служб

безопасности с целью упорядочивания доступа к информации сессии

Уровень представления(Presentation layer) осуществляет промежуточное

преобразование данных исходящего сообщения в общий формат который предусмотрен

средствами нижних уровней а также обратное преобразование входящих данных из

общего формата в формат понятный получающей программе

Основные принципы уровневого взаимодействия

При уровневой организации процесса взаимодействия должны соблюдаться следующие

требования

компоненты одного уровня одной системы могут взаимодействовать с

компонентами только того же уровня другой системы

в рамках одной системы компоненты какого-либо уровня могут взаимодействовать

только с компонентами смежных (вышележащего и нижележащего) уровней

Набор правил определяющих порядок взаимодействия средств относящихся к одному и

тому же уровню и функционирующих в разных системах называется протоколом

(protocol) Правила взаимодействия между собой средств относящихся к смежным

уровням и функционирующих в одной системе называются интерфейсом (interface)

Функции физического уровня

Физический уровень определяет способ физического соединения компьютеров в сети

Основными функциями средств относящихся к данному уровню является побитовое

преобразование цифровых данных в сигналы среды передачи а также собственно

передача сигналов по физической среде

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно распространение

информационных сигналов в виде электрических световых и тп импульсов В настоящее

время выделяют два основных типа физических соединений соединения с помощью

кабеля и беспроводные соединения

- 22 -

Кабель (cable) используемый для построения компьютерных сетей представляет собой

сложную конструкцию состоящую в общем случае из проводников изолирующих и

экранирующих слоев В современных сетях используются три типа кабеля

Каждый тип кабеля отличается от других внутренним устройством и обладает целым

набором технических характеристик влияющих на основные потребительские параметры

сетей

Тип кабеля Характеристика

Максимальное

расстояние передачи

Максимальная

скорость передачи

Коаксиальный

кабель 185 ndash 500 м 10 Мбитс

Витая пара 30 ndash 100 м 10 Мбитс ndash 1

Гбитс

Оптоволоконный

кабель 2 км

10 Мбитс ndash 2

Гбитс

Топология сети - способ соединения компьютеров с помощью физической среды

Если сеть состоит всего из двух компьютеров то они соединяются напрямую Такой

способ соединения получил название точка-точка (point-to-point)

Выделяют три базовые топологии Шина (bus) Кольцо (ring) Звезда(star)

laquoШинаraquo - использует один передающий канал на базе коаксиального кабеля называемый

шиной Все сетевые компьютеры присоединяются напрямую к шине На концах кабеля-

шины устанавливаются специальные заглушки - терминаторы (terminator) Они

необходимы для того чтобы погасить сигнал после прохождения по шине К недостаткам

топологии Шина следует отнести следующее

данные предаваемые по кабелю доступны всем подключенным компьютерам

в случае повреждения шины вся сеть перестает функционировать

laquoКольцоraquo - характерно отсутствие конечных точек соединения сеть замкнута образуя

неразрывное кольцо по которому передаются данные Эта топология подразумевает

следующий механизм передачи данные передаются последовательно от одного

компьютера к другому пока не достигнут компьютера-получателя Недостатки топологии

кольцо те же то и у топологии шина

общедоступность данных

неустойчивость к повреждениям кабельной системы

В сети с топологией звезда все компьютеры соединены со специальным устройством

называемым сетевым концентратором или хабом (hub) который выполняет функции

- 23 -

распределения данных Прямые соединения двух компьютеров в сети отсутствуют

Благодаря этому имеется возможность решения проблемы общедоступности данных а

также повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы Однако

функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора

Канальный уровень - отвечает за организацию передачи данных между абонентами

через физический уровень поэтому на данном уровне предусмотрены средства адресации

позволяющие однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к общему физическому каналу В функции данного

уровня также входит упорядочивание передачи с целью обеспечения возможности

параллельного использования одного физического канала несколькими парами абонентов

Средства канального уровня обеспечивают проверку ошибок которые могут возникать

при передаче данных физическим уровнем Большинство функций канального уровня

выполняются устройствами передачи данных (например сетевым адаптером)

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена способ

представления информации а также необходимый набор правил позволяющий

упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток битов Перед

передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с принципом пакетной

коммутации разделяется на порции каждая из которых снабжается заголовком

содержащим некоторую служебную информацию те формируется пакет На канальном

уровне пакет называется кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает протокол Сложность

канальных протоколов во многом определяется сложностью топологии сети Очевидно

что организовать общение всего двух абонентов существенно проще чем упорядочивать

информационный обмен в сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких

пар абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Сетевой уровень - сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

- 24 -

адресации определенных различными технологиями Поэтому для обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого уровня модели OSI Устройства этого уровня предназначенные для объединения сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку составной сети Процесс определения пути прохождения данных через подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название маршрутизаторов

Транспортный уровень Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных

между устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд) Однако

не следует забывать что на одном узле может функционировать параллельно несколько

программ которым требуется доступ к сети Следовательно данные внутри

компьютерной системы должны распределяться между программами Поэтому при

передаче данных по сети недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо

также идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является отсутствие средств

позволяющих передавать большие массивы данных Когда исходные данные превышают

максимально допустимый размер пакета сетевого уровня то эти данные должны быть

разбиты на порции каждая из которых передается в сеть отдельным пакетом Однако

каждый пакет сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других

блок данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и следовательно ndash

обнаружить нарушение целостности общего массива данных Поэтому средства

транспортного уровня обеспечивают отсутствие потерь информации Такой режим

передачи данных получил название гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой функциональную

надстройку над сетевым уровнем и решают две основных задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

- 25 -

обеспечение гарантированной доставки массивов данных произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash UDP

обеспечивающий негарантированную доставку данных между программами и TCP

обеспечивающий гарантированную доставку с установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной уровень - Компоненты четырех

нижних уровней модели OSI (физического канального сетевого и транспортного)

представляют собой механизм обеспечивающий доставку данных любого типа и

произвольного объема между программами работающими на разных узлах составной

сети Однако при работе в сети пользователям требуется не просто пересылка данных а

выполнение каких-либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех возможностей

которые предоставляют средства нижних уровней недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо просмотреть

документ расположенный не на его локальном компьютере а на удаленной машине

Решение такой задачи предполагает как минимум прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса содержащего имя

документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной машины

изменений вносимых в этот документ другими пользователями и уведомление об этом

пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав пользователя на

работу с документом что предполагает дополнительный обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних уровней не имеют

средств позволяющих реализовать специфику такого взаимодействия Поэтому для его

организации требуются дополнительные надстройки над средствами транспортного и

нижележащих уровней В эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный

уровень уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или сессии) при

длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое (виртуальное) соединение между

двумя программами в общем случае функционирующими на разных компьютерах В

простейшем случае установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти необходимых для

приема и передачи данных После окончания передачи данных происходит закрытие

соединения предполагающее освобождение выделенных ресурсов Во многих случаях

этого недостаточно поэтому сессионный уровень предлагает более сложные механизмы

для организации сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая поддержка

осуществляется путем периодической отправки специальных тестовых пакетов при

получении которых участник соединения должен ответить Возвращаясь к

предложенному выше примеру следует отметить что установление соединения при

работе с удаленным документом позволяет один раз перед началом работы проверить

- 26 -

права доступа пользователя а также один раз передать запрос с именем файла В случае

если бы соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог бы

уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться дополнительное

преобразование Например это необходимо в случае если взаимодействующие

программы используют различные способы кодировки текстовой информации или если

для обеспечения защиты информации требуется осуществлять шифрование данных

Обеспечение подобных промежуточных преобразований возложено на уровень

представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными уровнями Они

позволяют осуществлять работу с различными информационными ресурсами сети

например файлами или сообщениями электронной почты Естественно что различные

типы ресурсов в общем случае требуют различных методов обработки и в том числе

методов сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI является

прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции работы с конкретными

информационными объектами В предложенном выше примере (чтение удаленного

документа) к функциям прикладного протокола относятся формирование запросов на

получение документа проверка прав доступа а также определение порядка пересылки

файлов и уведомлений об изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами определяемых

протоколами прикладного уровня часть функций сессионного уровня и уровня

представления может оказаться избыточной поэтому при программной реализации три

верхних уровня обычно объединяются

Модель сетевого взаимодействия

В 1984 году Международной Организацией по Стандартизации (International

Standard Organization ISO) была разработана модель взаимодействия

открытых систем (Open Systems Interconnection OSI) Модель представляет

собой международный стандарт для проектирования сетевых коммуникаций

и предполагает уровневый подход к построению сетей Каждый уровень

модели обслуживает различные этапы процесса взаимодействия

Посредством деления на уровни сетевая модель OSI упрощает совместную

работу оборудования и программного обеспечения Модель OSI разделяет

сетевые функции на семь уровней прикладной уровень представления

сессионный транспортный сетевой канальный и физический

Ниже дается краткая характеристика уровней модели

Физический уровень (Physical layer) определяет способ физического

соединения компьютеров в сети Функциями средств относящихся к

данному уровню являются побитовое преобразование цифровых

- 27 -

данных в сигналы передаваемые по физической среде (например по

кабелю) а также собственно передача сигналов

Канальный уровень(Data Link layer) отвечает за организацию передачи

данных между абонентами через физический уровень поэтому на

данном уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к обще линии связи В функции

данного уровня также входит упорядочивание передачи с целью

параллельного использования одной линии связи несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем

Сетевой уровень(Network layer) обеспечивает доставку данных между

компьютерами сети представляющей собой объединение различных

физических сетей Данный уровень предполагает наличие средств

логической адресации позволяющих однозначно идентифицировать

компьютер в объединенной сети Одной из главных функций

выполняемых средствами данного уровня является целенаправленная

передача данных конкретному получателю

Транспортный уровень(Transport layer) реализует передачу данных

между двумя программами функционирующими на разных

компьютерах обеспечивая при этом отсутствие потерь и дублирования

информации которые могут возникать в результате ошибок передачи

нижних уровней В случае если данные передаваемые через

транспортный уровень подвергаются фрагментации то средства

данного уровня гарантируют сборку фрагментов в правильном

порядке

Сессионный (или сеансовый) уровень (Session layer) позволяет двум

программам поддерживать продолжительное взаимодействие по сети

называемое сессией (session) или сеансом Этот уровень управляет

установлением сеанса обменом информацией и завершением сеанса

Он также отвечает за идентификацию позволяя тем самым только

определенным абонентам принимать участие в сеансе и обеспечивает

работу служб безопасности с целью упорядочивания доступа к

информации сессии

Уровень представления(Presentation layer) осуществляет

промежуточное преобразование данных исходящего сообщения в

общий формат который предусмотрен средствами нижних уровней а

также обратное преобразование входящих данных из общего формата в

формат понятный получающей программе

Прикладной уровень (Application layer) предоставляет

высокоуровневые функции сетевого взаимодействия такие как

передача файлов отправка сообщений по электронной почте и тп

Основные принципы уровневого взаимодействия

- 28 -

При уровневой организации процесса взаимодействия должны соблюдаться

следующие требования

компоненты одного уровня одной системы могут взаимодействовать с

компонентами только того же уровня другой системы

в рамках одной системы компоненты какого-либо уровня могут

взаимодействовать только с компонентами смежных (вышележащего и

нижележащего) уровней

Порядок уровневого взаимодействия

Набор правил определяющих порядок взаимодействия средств относящихся

к одному и тому же уровню и функционирующих в разных системах

называется протоколом (protocol) Правила взаимодействия между собой

средств относящихся к смежным уровням и функционирующих в одной

системе называются интерфейсом (interface)

Практическая реализация уровневого взаимодействия

На практике протоколы и интерфейсы регламентируют технические

требования предъявляемые к программным и аппаратным средствам

Программные (аппаратные) модули предназначенные для обеспечения

практического взаимодействия определяемого тем или иным протоколом

(или интерфейсом) обычно называют реализацией протокола (или

интерфейса)

Хотя различные компоненты относящиеся к различным уровням сетевой

модели формально должны быть функционально независимыми друг от

друга при практической разработке протоколов такая независимость не

всегда выдерживается Это объясняется тем что попытка добиться точного

соответствия эталонной модели может привести к неэффективности работы

программно-аппаратного обеспечения реализующего протокол В настоящее

время наблюдается два типа отклонений возникающих при реализации

уровневого взаимодействия

- 29 -

функции некоторых уровней могут объединяться одним протоколом и

наоборот ndash функции одного уровня могут делиться между различными

протоколами

функционирование протокола какого-либо уровня подразумевают

использование только определенных протоколов нижележащего

уровня

Поэтому разработка практических методов сетевого взаимодействия как

правило подразумевает разработку не отдельных протоколов а целых

наборов протоколов Такие наборы обычно включают в себя протоколы

относящиеся к нескольким смежным уровням эталонной модели OSI и

называются стеками (или семействами наборами) протоколов (protocol stack

protocol suite) Наиболее известным стеком протоколов обеспечивающим

взаимодействие в сети Интернет является стек протоколов TCPIP

Физический уровень

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Среда передачи

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Физический уровень определяет способ физического соединения

компьютеров в сети Основными функциями средств относящихся к

данному уровню является побитовое преобразование цифровых данных в

сигналы среды передачи а также собственно передача сигналов по

физической среде

Кабельные системы

- 30 -

Кабель (cable) используемый для построения компьютерных сетей

представляет собой сложную конструкцию состоящую в общем случае из

проводников изолирующих и экранирующих слоев В современных сетях

используются три типа кабеля

Еще одним важным понятием физического уровня является способ

соединения компьютеров с помощью физической среды или топология сети

Если сеть состоит всего из двух компьютеров то они соединяются

напрямую Такой способ соединения получил название точка-точка

(point-to-point)

Соединение типа точка-точка

Для обеспечения связи более чем двух компьютеров может использоваться

последовательность соединений типа точка-точка

Последовательность соединений типа точка-точка

Однако такой подход требует установки на большую часть компьютеров

нескольких устройств передачи данных

В качестве альтернативного подхода возможно использование более

сложных топологий позволяющих подключить к общей среде сразу

несколько компьютеров имеющих по одному устройству передачи данных

- 31 -

Выделяют три базовые топологии Шина (bus) Кольцо (ring)

Звезда(star)

Топология laquoШинаraquo

Топология Шина

Эта топология использует один передающий канал на базе коаксиального

кабеля называемый шиной Все сетевые компьютеры присоединяются

напрямую к шине На концах кабеля-шины устанавливаются специальные

заглушки - терминаторы (terminator) Они необходимы для того чтобы

погасить сигнал после прохождения по шине К недостаткам топологии

Шина следует отнести следующее

данные предаваемые по кабелю доступны всем подключенным

компьютерам

в случае повреждения шины вся сеть перестает функционировать

Топология laquoКольцоraquo

Топология Кольцо

Для топологии кольцо характерно отсутствие конечных точек соединения

сеть замкнута образуя неразрывное кольцо по которому передаются данные

Эта топология подразумевает следующий механизм передачи данные

передаются последовательно от одного компьютера к другому пока не

- 32 -

достигнут компьютера-получателя Недостатки топологии кольцо те же то

и у топологии шина

общедоступность данных

неустойчивость к повреждениям кабельной системы

Топология laquoЗвездаraquo

Топология Звезда

В сети с топологией звезда все компьютеры соединены со специальным

устройством называемым сетевым концентратором или хабом (hub)

который выполняет функции распределения данных Прямые соединения

двух компьютеров в сети отсутствуют Благодаря этому имеется

возможность решения проблемы общедоступности данных а также

повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы Однако

функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора

Физическая и логическая топологии

Следует отметить что термин топология может употребляться для

обозначения двух понятий ndash физической топологии и логической топологии

Физическая топология ndash способ физического соединения компьютеров с

помощью среды передачи например участками кабеля Логическая

топология определяет маршруты передачи данных в сети Во многих

случаях физическая топология однозначно определяет логическую

топологию Однако существуют такие конфигурации в которых логическая

топология отличается от физической Например сеть с физической

- 33 -

топологией laquoзвездаraquo может иметь логическую топологию laquoшинаraquo ndash все

зависит от того каким образом устроен сетевой концентратор

Кодированиедекодирование данных Как известно данные обрабатываемые

компьютером представляются в двоичном виде - как последовательность

нулей и единиц Однако понятия нуль и единица являются логическими

понятиями обозначающими электрические сигналы отличающиеся друг от

друга физическими параметрами и использующиеся для представления

информации в различных устройствах например оперативной памяти или

центральном процессоре В силу различных технических причин эти сигналы

не всегда могут передаваться по физическим каналам связи Поэтому они

должны быть преобразованы Процесс преобразования сигналов удобных

для компьютера в сигналы которые могут быть переданы по сети

называется физическим кодированием а обратное преобразование -

декодированием

Передача сигналов Информационные сигналы передаются по физическим

линиям связи последовательно В случае если между передающей и

принимающей сторонами параллельно существуют более одной линии

например проложено несколько кабелей то оказывается возможным

одновременно (параллельно) передавать несколько сигналов Если эти

сигналы представляют различные биты передаваемых данных то

повышается скорость информационного обмена Если же сигналы

представляют один и тот же бит данных - то повышается надежность

взаимодействия

Канальный уровень

Канальный уровень отвечает за организацию передачи данных

между абонентами через физический уровень поэтому на данном

уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к общему физическому

каналу В функции данного уровня также входит упорядочивание

передачи с целью обеспечения возможности параллельного

использования одного физического канала несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем Большинство функций канального уровня

выполняются устройствами передачи данных (например сетевым

- 34 -

адаптером)

Метод коммутации

дной из центральных проблем организации передачи данных по физическим

каналам является проблема параллельного использования одного и того же

канала несколькими парами абонентов Методы лежащие в основе ее

решения получили название методов коммутации

В настоящее время существует два основных метода коммутации

коммутация каналов и коммутация пакетов

Коммутация каналов предполагает что перед началом передачи данных

должна быть выполнена процедура установления соединения в результате

которой образуется составной канал По окончании сеанса связи соединение

разрывается и канал освобождается Классическим примером реализации

коммутации каналов является телефонная связь которая подразумевает что

абонент перед началом разговора набирает номер второго абонента в

результате чего последовательное переключение промежуточных

коммутаторов позволяет образовать непрерывный канал связи между

абонентами Коммутация каналов удобна для организации линий связи в

которых подразумевается передача потоков данных постоянной

интенсивности например таких как телефонный разговор в силу чего этот

метод оказывается недостаточно гибким при построении компьютерных

сетей

Метод коммутации пакетов основан на разбиении передаваемых по сети

данных на небольшие порции Каждая такая порция передается по сети

как единое целое и называется пакетом Такой метод является очень

удобным для параллельного использования физического канала несколькими

парами абонентов канал является занятым только во время прохождения

пакета Временные промежутки между передачей пакетов одним абонентам

могут быть использованы другими для отправки собственных пакетов

Пакет обычно состоит из двух частей ndash заголовка содержащего служебные

данные необходимые для управления доставкой пакета и собственно

данных подлежащих передаче Порядок обмена пакетами а также

конкретный состав заголовка пакетов определяется сетевым протоколом

Для именования пакетов различных уровней модели OSI используются

специальные термины Для канального уровня используется термин кадр

для сетевого ndash пакет для транспортного ndash сегмент дейтаграмма для

сессионного и более высоких уровней ndash сообщение

- 35 -

Протоколы канального уровня

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена

способ представления информации а также необходимый набор правил

позволяющий упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток

битов Перед передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с

принципом пакетной коммутации разделяется на порции каждая из

которых снабжается заголовком содержащим некоторую служебную

информацию те формируется пакет На канальном уровне пакет называется

кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает

протокол Сложность канальных протоколов во многом определяется

сложностью топологии сети Очевидно что организовать общение всего двух

абонентов существенно проще чем упорядочивать информационный обмен в

сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких пар

абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Структура кадра данных

Состав заголовка кадра зависит от многих факторов определяемых набором

функций которые выполняет протокол Тем не менее можно выделить ряд

информационных полей которые обычно присутствуют в заголовке кадра К

таким полям относятся

1 Специальные поля предназначенные для определения границ кадров

Поскольку в физической среде могут постоянно проходить какие-либо

сигналы то сетевые адаптеры должны уметь разбираться в том когда

начинается передача кадра и когда она заканчивается

2 Поле предназначенное для определения протокола сетевого уровня

которому необходимо передать данные Так как на одном компьютере могут

функционировать программные модули различных протоколов сетевого

уровня то протоколы канального уровня должны уметь распределять данные

по этим протоколам

3 Контрольная сумма (или специальный код) содержимого кадра которая

позволяет принимающей стороне определить наличие ошибок в принятых

данных Принцип ее использования состоит в следующем Сетевой адаптер

отправляющего компьютера после формирования кадра вычисляет значение

- 36 -

его контрольной суммы на основе содержимого и помещает это значение в

заголовок кадра Принимающая сторона также вычисляет контрольную

сумму полученного кадра и сравнивает его со значением помещенным в

заголовке Если они не совпадают то это означает что во время передачи

кадра произошла ошибка

4 Поля предназначенные для адресации абонентов в сложных сетях

(определены для протоколов применяемых в сетях базирующихся на

сложных топологиях)

Обобщенная структура кадра данных

Протоколы для сетей сложных топологий

Протоколы канального уровня этой группы являются более сложными чем

протоколы использующиеся в сетях типа точка-точка так как вынуждены

выполнять ряд дополнительных функций Основными функциями являются

Выделение на всем множестве компьютеров подключенных к сети

конкретного абонента с которым осуществляется информационный обмен

то есть адресация

Адресация абонентов

Упорядочивание доступа к среде передачи в случае когда нескольким парам

абонентов требуется осуществить передачу данных

Для обеспечения адресации абонентов в заголовке кадров должны

присутствовать следующие поля

- 37 -

1 Адрес отправителя ndash некоторое число (или набор чисел) позволяющее

идентифицировать сетевой адаптер (а следовательно и компьютер в

котором она установлена) который осуществил передачу кадра данных в

сеть Адреса присваиваются сетевым адаптерам на заводе-изготовителе и

как правило не изменяются в дальнейшем хотя большинство современных

адаптеров позволяют перепрограммировать сетевой адрес

Протоколы канального уровня и сетевые технологии

Функциональный состав того или иного протокола канального уровня во

многом определяется особенностями физического уровня например

топологией сети или типом среды передачи Поэтому при проектировании

сетевого взаимодействия используются и разрабатываются комплексные

стандарты получившие название сетевых технологий

Сетевая технология ndash это набор стандартов определяющий минимальный

состав программно-аппаратных средств достаточный для организации

взаимодействия компьютеров в сети Как правило сетевая технология

определяет топологию сети а также протокол канального уровня (формат

кадра порядок обмена кадрами MTU)

В настоящее время существует большое количество сетевых технологий и

соответственно определяемых ими протоколов канального уровня

Рассмотрим для примера одну из наиболее популярных в настоящее время

технологий ndash технологию локальных сетей Ethernet Эта технология

предполагает что сеть должна строиться на основе физических топологий

шина если используется коаксиальный кабель или звезда если

используется кабель типа витая пара В зависимости от типа используемого

кабеля скорость передачи данных лежит в диапазоне 10-100 Мбитс В

качестве метода доступа к среде передачи используется метод обнаружения

коллизий (CSMACD) Что касается формата кадра то в настоящее время на

практике используются 4 варианта кадров Ethernet отличающихся друг от

друга но все они согласуются с общими положениями изложенными ранее

Максимальный объем данных передаваемых в одном кадре (MTU) в

технологии Ethernet не может превышать 1500 байт

Помимо технологии Ethernet в настоящее время в локальных сетях широко

используются технологии AppleTalk FDDI и ATM В глобальных сетях

широко распространены технологии ATM FrameRelay ISDN и SMDS

Существует также ряд технологий использующихся для организации

беспроводных сетей Наиболее популярной технологией применяемой при

- 38 -

построении локальных сетей в настоящее время является технология

RadioEthernet Она предполагает передачу данных в двух УКВ-диапазонах

около 915 МГЦ и 2400-24835 МГц а также в инфракрасном спектре

Диапазон 915 МГц в России и Европе достаточно сильно загружен

средствами связи (сотовая телефония) поэтому он используется как

правило для организации сетей внутри зданий хотя технически позволяет

осуществлять передачу на значительные расстояния Это же ограничение

распространяется и на инфракрасный диапазон поскольку инфракрасные

лучи чувствительны к погодным условиям В зависимости от того какой

режим передачи используется сети RadioEthernet позволяют осуществлять

передачу данных со скоростью 2 - 10 Мбитс Технология RadioEthernet

предполагает построение сетей на базе топологий точка-точка и звезда В

качестве метода доступа используется метод предупреждения коллизий

(CSMACA)

Наряду с кабельными и беспроводными технологиями существуют также

технологии предполагающие комбинирование различных типов физической

среды передачи Обычно они применяются для построения асимметричных

сетей небольшие по объему запросы пользовательских компьютеров

передаются по кабельным каналам например с использованием телефонных

линий и модемов а прием осуществляется через спутниковый радиоканал

Объединение сетей на канальном уровне

Сложные сети в общем случае представляют собой совокупность

нескольких сетей Такие сети называются объединенными сетями

(internetwork)

Необходимость объединения сетей может быть вызвана разными причинами

Прежде всего это - преодоление технических ограничений среды передачи

например максимального расстояния передачи данных Кроме того

построение сети как объединенной позволяет повысить надежность (выход

из строя одной физической среды не влияет на работу остальных) и

обеспечить определенный уровень конфиденциальности (данные

передаваемые между компьютерами одной физической среды оказываются

недоступными компьютерам других сетей)

Для построения объединенных сетей требуются специальные устройства

которые позволяют подключать к себе две (или более) сети Наиболее

простым устройством такого вида является мост (bridge)

Мост

- 39 -

Принцип функционирования моста достаточно прост для подключения сетей

мост располагает несколькими портами с каждым из которых связываются

записи так называемой адресной таблицы содержащей список адресов

компьютеров сетей подключенных к мосту Когда мост получает кадр

данных то он передает его в сеть через порт который согласно таблице

соответствует адресу получателя В случае если адрес получателя не

обнаружен в адресной таблице то кадр передается во все сети Адресные

таблицы мостов как правило строятся на основе анализа кадров

передаваемых по сетям

Функции сетевого уровня

Сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе

различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне

достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети

но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети

с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это

объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

адресации определенных различными технологиями Поэтому для

обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства

представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую

абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых

технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого

уровня модели OSI

Очевидно что устройства этого уровня предназначенные для объединения

сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального

уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную

передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть

определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку

составной сети Процесс определения пути прохождения данных через

подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства

объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название

маршрутизаторов

- 40 -

Протокол IP

Протокол IP (Internet Protocol) входит в состав стека протоколов TCPIP и

является основным протоколом сетевого уровня использующимся в

Интернет и обеспечивающим единую схему логической адресации устройств

в сети и маршрутизацию данных

Для выполнения своих функций протокол определяет свой собственный

формат пакета Основными информационными полями заголовка пакета

являются

IP-адреса отправителя и получателя ndash предназначены для

идентификации отправителя и получателя (см IP-адресация)

Время жизни пакета (Time To Live TTL) - определяет время которое

IP-пакет может находиться в сети и предназначено для

предотвращения захламления сети заблудившимися пакетами

поля предназначенные для фрагментации пакетов (см IP-

фрагментация)

поля предназначенные для управления обработкой пакета (длина

пакета и заголовка контрольная сумма заголовка тип обслуживания и

тд)

Существует 5 классов IP-адресов ndash A B C D E Принадлежность IP-

адреса к тому или иному классу определяется значением первого

октета (W) Ниже показано соответствие значений первого октета и

классов адресов

Класс IP-адреса A B C D E

Диапазон первого

октета

1-

126

128-

191

192-

223

224-

239

240-

247

IP-адреса первых трех классов предназначены для адресации

отдельных узлов и отдельных сетей Такие адреса состоят из двух

частей ndash номера сети и номера узла Такая схема аналогична схеме

почтовых индексов ndash первые три цифры кодируют регион а остальные

ndash почтовое отделение внутри региона

Преимущества двухуровневой схемы очевидны она позволяет во-

первых адресовать целиком отдельные сети внутри составной сети

что необходимо для обеспечения маршрутизации а во-вторых ndash

присваивать узлам номера внутри одной сети независимо от других

сетей Естественно что компьютеры входящие в одну и ту же сеть

должны иметь IP-адреса с одинаковым номером сети

- 41 -

IP-Маршрутизация ndash процесс выбора пути для передачи пакета в сети Под

путем (маршрутом) понимается последовательность маршрутизаторов через

которые проходит пакет по пути к узлу-назначению IP-маршрутизатор ndash это

специальное устройство предназначенное для объединения сетей и

обеспечивающее определение пути прохождения пакетов в составной сети

Маршрутизатор должен иметь несколько IP-адресов с номерами сетей

соответствующими номерам объединяемых сетей

Как известно для разных сетевых технологий значение MTU определенное

для кадров данных может отличаться Поэтому при преобразовании кадров

на маршрутизаторе может потребоваться разделение вложенных в них IP-

пакетов на более мелкие пакеты

Для разделения пакетов на фрагменты модуль IP установленный на

маршрутизаторе создает на его основе некоторое число новых пакетов (в

соответствии с длиной исходного пакета и значения MTU для сети куда

должны быть переданы данные) Для того чтобы данные могли быть

правильно собраны получателем в заголовки новых IP-пакетов помещается

специальный числовой идентификатор позволяющий однозначно

определить что эти пакеты являются фрагментами одного большого пакета

Кроме того в заголовках также указывается положения фрагментов в

исходном пакете что позволяет обеспечить правильный порядок сборки

получателем

Вспомогательные протоколы сетевого уровня стека TCPIP

Главными функциями протокола IP является обеспечение единой схемы

адресации независимой от принципов адресации определяемых сетевыми

технологиями (адресацией канального уровня) а также передача данных по

составной сети (маршрутизация и фрагментация пакетов) Однако для

организации реального взаимодействия этого оказывается недостаточно -

существует еще ряд проблем

Первая проблема состоит в следующем Для того чтобы передать данные по

сети программное обеспечение протокола IP создает пакет и передает его

средствам канального уровня При этом средствам канального уровня для

формирования кадра данных необходим адрес получателя причем не

логический IP-адрес а MAC-адрес который может быть правильно опознан

сетевым адаптером принимающего компьютера Однако спецификацией

протокола IP не предусмотрен механизм позволяющий определять

соответствие между аппаратными и IP-адресами Эту функцию выполняет

вспомогательный протокол сетевого уровня ARP (Address Resolution

Protocol) входящий в семейство протоколов TCPIP

- 42 -

Другая серьезная проблема состоит в том что если при обработке IP-пакета

на маршрутизаторе возникли какие-то проблемы например истекло время

жизни пакета то отправитель о них не узнает поскольку механизм

обратной связи также не предусмотрен спецификацией протокола IP Для

решения этой проблемы используется специальный протокол сетевого

уровня ICMP (Internet Control Message Protocol) входящий в стек протоколов

TCPIP и обеспечивающий передачу управляющей информации и

информации об ошибках

В семействе протоколов TCPIP предусмотрен также ряд других

вспомогательных протоколов например протоколы динамической

маршрутизации обеспечивающие обмен информацией между

маршрутизаторами с целью автоматизации построения таблиц

маршрутизации

Транспортный уровень

Функции транспортного уровня

Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных между

устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд)

Однако не следует забывать что на одном узле может функционировать

параллельно несколько программ которым требуется доступ к сети

Следовательно данные внутри компьютерной системы должны

распределяться между программами Поэтому при передаче данных по сети

недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо также

идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является

отсутствие средств позволяющих передавать большие массивы данных

Когда исходные данные превышают максимально допустимый размер пакета

сетевого уровня то эти данные должны быть разбиты на порции каждая из

которых передается в сеть отдельным пакетом Однако каждый пакет

сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других блок

данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и

следовательно ndash обнаружить нарушение целостности общего массива

данных Поэтому средства транспортного уровня обеспечивают отсутствие

потерь информации Такой режим передачи данных получил название

гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой

- 43 -

функциональную надстройку над сетевым уровнем и решают две основных

задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

обеспечение гарантированной доставки массивов данных

произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash

UDP обеспечивающий негарантированную доставку данных между

программами и TCP обеспечивающий гарантированную доставку с

установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной

уровень

Компоненты четырех нижних уровней модели OSI (физического канального

сетевого и транспортного) представляют собой механизм обеспечивающий

доставку данных любого типа и произвольного объема между программами

работающими на разных узлах составной сети Однако при работе в сети

пользователям требуется не просто пересылка данных а выполнение каких-

либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех

возможностей которые предоставляют средства нижних уровней

недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо

просмотреть документ расположенный не на его локальном компьютере а

на удаленной машине Решение такой задачи предполагает как минимум

прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса

содержащего имя документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного

компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной

машины изменений вносимых в этот документ другими пользователями и

уведомление об этом пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав

пользователя на работу с документом что предполагает дополнительный

- 44 -

обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних

уровней не имеют средств позволяющих реализовать специфику такого

взаимодействия Поэтому для его организации требуются дополнительные

надстройки над средствами транспортного и нижележащих уровней В

эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный уровень

уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или

сессии) при длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое

(виртуальное) соединение между двумя программами в общем случае

функционирующими на разных компьютерах В простейшем случае

установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти

необходимых для приема и передачи данных После окончания передачи

данных происходит закрытие соединения предполагающее освобождение

выделенных ресурсов Во многих случаях этого недостаточно поэтому

сессионный уровень предлагает более сложные механизмы для организации

сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая

поддержка осуществляется путем периодической отправки специальных

тестовых пакетов при получении которых участник соединения должен

ответить Возвращаясь к предложенному выше примеру следует отметить

что установление соединения при работе с удаленным документом позволяет

один раз перед началом работы проверить права доступа пользователя а

также один раз передать запрос с именем файла В случае если бы

соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог

бы уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться

дополнительное преобразование Например это необходимо в случае если

взаимодействующие программы используют различные способы кодировки

текстовой информации или если для обеспечения защиты информации

требуется осуществлять шифрование данных Обеспечение подобных

промежуточных преобразований возложено на уровень представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными

уровнями Они позволяют осуществлять работу с различными

информационными ресурсами сети например файлами или сообщениями

электронной почты Естественно что различные типы ресурсов в общем

случае требуют различных методов обработки и в том числе методов

сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI

- 45 -

является прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции

работы с конкретными информационными объектами В предложенном выше

примере (чтение удаленного документа) к функциям прикладного протокола

относятся формирование запросов на получение документа проверка прав

доступа а также определение порядка пересылки файлов и уведомлений об

изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами

определяемых протоколами прикладного уровня часть функций сессионного

уровня и уровня представления может оказаться избыточной поэтому при

программной реализации три верхних уровня обычно объединяются

Page 9: - 3 - ВВЕДЕНИЕicm.muctr.ru/study/computers/inf001.pdf · 2016-08-25 · - 7 - А) Количество информации как мера уменьшения неопределенности

- 11 -

bull Принципы Джон фон Неймана 1) принцип программного управления (программа состоит из набора команд которые выполняются процессором друг за другом в определенной последовательности) 2) принцип однородности памяти (программы и данные хранятся в одной и той же памяти) 3) принцип адресности (ОП состоит из пронумерованных ячеек и процессору в любой момент времени доступна любая ячейка)

- 12 -

Поколения ЭВМ

1На основе электронных ламп

2На основе электронных ламп и

дискретных транзисторных

логических элементов

3Семейства машин с единой

архитектурой

интегральные схемы

4Проектировались в расчете на

эффективное использование

современных высокоуровневых

языков

Поколения ЭВМ

1На основе электронных ламп

2На основе электронных ламп и

дискретных транзисторных

логических элементов

3Семейства машин с единой

архитектурой

интегральные схемы

4Проектировались в расчете на

эффективное использование

современных высокоуровневых

языков

- 13 -

Т

Основы построения ЭВМ

bull Принципы функционирования

универсальных вычислительных

устройств

bull 1 Принцип программного управления

bull 2 Принцип однородности памяти

bull 3 Принцип адресности

Поколения ЭВМ

- 14 -

Языки

сверхвысокого

Уровня

Сенсорные

Устройства

Оптические

диски

ДоскаСверхбольшие

Интегральные

схемы

90-нв5

Языки высокого

уровня

Интерактивные

устройства

ВинчестерыСтолБольшие

интеграль

ные

схемы

(БИС)

70ndash804

Алгоритмические

языки

ДисплеиМагнитные

диски

ШкафИнтегральные

схемы (ИС)

60ndash703

Автокоды

(ассемблер)

ТелетайпыМагнитные

ленты

КомнатаТранзисторы50ndash602

Машинные

языки

ПерфораторыМагнитный

барабан

Машинный

зал

Лампы40ndash501

ЯзыкиInoutНакопителиГабаритыЭлементыГодыПоколение

Глава 3 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

31 Развитие программного обеспечения

32Состав Microsoft Office

33 История языков программирования

Microsoft Word (часто mdash MS Word WinWord или просто Word) mdash это текстовый

процессор предназначенный для создания просмотра и редактирования текстовых

документов с локальным применением простейших форм таблично-матричных

алгоритмов Текстовый процессор выпускается корпорацией Microsoft в составе

пакета Microsoft Office Первая версия была написана Ричардом Броди (Richard

Brodie) для IBM PC использующих DOS в 1983 году Позднее выпускались версии

для Apple Macintosh (1984) SCO UNIX и Microsoft Windows (1989)

Microsoft Word многим обязан Bravo mdash текстовому процессору с оригинальным

графическим интерфейсом разработанному в исследовательском центре laquoXerox

PARCraquo Создатель Bravo Чарльз Симони (Charles Simonyi) покинул PARC в 1981

году Тем же летом Симони переманил Броди с которым вместе работал над Bravo

Первый выпуск Word для MS-DOS состоялся в конце 1983 года Он был плохо принят

рынком продажи снижало наличие конкурирующего продукта mdash WordPerfect

Однако версия для Макинтоша выпущенная в 1985 году получила широкое

распространение Через два года laquoWord 301 для Macintoshraquo усилил позиции (версия 30

изобиловала ошибками и быстро была заменена) Как и прочее программное обеспечение

для Макинтоша Word был полностью WYSIWYG-редактором (принцип laquoWhat You See Is

What You Getraquo mdash laquoполучаю то что вижуraquo)

- 15 -

Хотя MS-DOS и являлась текстовой операционной системой лишѐнной графической

оболочки Word для DOS был первым текстовым процессором для IBM PC который был

способен отображать разметку текста например полужирный или курсивный текст в

процессе редактирования Однако он всѐ же не являлся в полном смысле WYSIWYG-

редактором Другие же текстовые процессоры такие как WordStar и WordPerfect

использовали простой текстовый экран с кодами разметки иногда текст был цветным

Однако поскольку в большинстве программного обеспечения под DOS применялись

собственные труднозапоминаемые комбинации laquoгорячих клавишraquo для каждой команды

(например в Wordrsquoе для DOS сохранение файла выполнялось по комбинации ESC-T-S) и

большинство секретарей умели пользоваться только WordPerfect компании весьма

неохотно переходили на конкурирующие с ним продукты имеющие сравнительно

небольшие преимущества

Первая версия Word для Windows выпущенная в 1989 году продавалась по цене 500

долларов США Она демонстрировала выбранный компанией Майкрософт путь развития

как и сама Windows она многое взяла от Macintosh и использовала стандартные

клавиатурные сокращения (например CTRL-S для сохранения файла) После выпуска в

следующем году Windows 30 продажи поползли вверх (Word 10 гораздо лучше работал с

Windows 30 чем с более старыми версиями Windows386 и Windows286) главный

конкурент mdash WordPerfect mdash не смог выпустить рабочую версию под Windows что

оказалось для него смертельной ошибкой Версия 20 утвердила WinWord на позиции

лидера рынка

У Word для Macintosh никогда не было серьѐзных конкурентов даже несмотря на наличие

программ вроде Nisus предоставлявшую возможность выделения нескольких несвязных

кусков текста (появившуюся только в Word 2002 из Office XP) и несмотря на мнение

многих пользователей об отсутствии кардинальных различий между версиями 301

выпущенной в 1987 году и версией 50 выпущенной в 1991 Однако версия 60 для

Macintosh вышедшая в 1994 году была многими воспринята довольно скептически Это

была первая версия без значительных отличий в коде ядра между версиями под Windows и

под Mac Версия под Windows следовавшая за 20 была пронумерована как 60 для

координации названия версий под разные платформы

Последовавшие версии добавляли возможности выходящие за рамки простого текстового

процессора Инструменты рисования позволяли выполнять примитивные операции

вѐрстки такие как добавление графики в документ хотя естественно

специализированные программы для вѐрстки лучше справляются с этими задачами

Внедрение объектов сравнение версий документа мультиязычная поддержка и многие

другие возможности были добавлены за последовавшие несколько лет

Microsoft Word является наиболее популярным из используемых в данный момент

текстовых процессоров что сделало его бинарный формат документа стандартом де-

факто и многие конкурирующие программы имеют поддержку совместимости с данным

форматом Расширение laquodocraquo на платформе IBM PC стало синонимом двоичного формата

Word 97mdash2000 Фильтры экспорта и импорта в данный формат присутствуют в

большинстве текстовых процессоровФормат документа разных версий Word меняется

различия бывают довольно тонкими Форматирование нормально выглядящее в

последней версии может не отображаться в старых версиях программы однако есть

ограниченная возможность сохранения документа с потерей части форматирования для

открытия в старых версиях продукта Последняя версия MS Word 2007 использует по

умолчанию формат основанный на XML - Microsoft Office Open XML Спецификация

- 16 -

форматов файлов Word 97-2007 были опубликован Microsoft в 2008 году[1][2]

Ранее

большая часть информации нужной для работы с данным форматом добывалась

посредством обратного инжиниринга поскольку основная еѐ часть отсутствовала в

открытом доступе или была доступна лишь ограниченному числу партнеров и

контролирующих организаций

Как и прочие приложения из Microsoft Office Word может расширять свои возможности

посредством использования встроенного макроязыка (сначала использовался WordBasic с

версии Word 97 применяется VBA mdash Visual Basic для приложений) Однако это

предоставляет широкие возможности для написания встраиваемых в документы вирусов

(так называемые laquoмакровирусыraquo) Наиболее ярким примером была эпидемия червя

Melissa В связи с этим многие считают разумной рекомендацию всегда выставлять

наивысший уровень настроек безопасности при использовании Word (Меню

laquoToolsgtMacrogtSecurityraquo laquoСервисgtМакросgtБезопасностьhellipraquo в локализованных русских

версиях) Также нелишним будет использовать антивирусное программное обеспечение

Первым вирусом заражавшим документы Microsoft Word был DMV созданный в декабре

1994 года Дж МакНамарой для демонстрации возможности создания макровирусов

Первым же вирусом попавшим в дикую природу и вызвавшим первую в мире

эпидемию макровирусов (это произошло в июле-августе 1995 г) был Concept

12 августа 2009 года суд штата Техас запретил продажу программы Word на территории

США в связи с тем что Microsoft незаконно использует метод чтения XML-файлов

патент на который принадлежит канадской компании i4i [3]

В 1982 году Microsoft запустила на рынок первый электронный табличный процессор

Multiplan который был очень популярен на CPM системах но на MS-DOS системах он

уступал Lotus 1-2-3 Первая версия Excel предназначалась для Mac и была выпущена в

1985 году а первая версия для Windows была выпущена в ноябре 1987 года Lotus не

торопилась выпускать 1-2-3 под Windows и Excel с 1988 года начала обходить по

продажам 1-2-3 что в конечном итоге помогло Microsoft достичь позиций ведущего

разработчика программного обеспечения Microsoft укрепляла свое преимущество с

выпуском каждой новой версии что имело место примерно каждые два года Текущая

версия для платформы Windows mdash Excel 12 также известная как Microsoft Office Excel

2007 Текущая версия для платформы Mac OS X mdash Microsoft Excel 2008

В начале своего пути Excel стал причиной иска о товарном знаке от другой компании уже

продававшей пакет программ под названием laquoExcelraquo В результате спора Microsoft был

обязана использовать название laquoMicrosoft Excelraquo во всех своих официальных пресс-

релизах и юридических документах Однако со временем эта практика была позабыта и

Microsoft окончательно устранила проблему приобретя товарный знак другой программы

Microsoft также решила использовать буквы XL как сокращенное название программы

иконка Windows-программы состоит из стилизованного изображения этих двух букв а

расширение файлов по умолчанию в Excel mdash xls В сравнении с первыми табличными

процессорами Excel представляет множество новых функций пользовательского

интерфейса но суть остается прежней как и в программе-родоначальнике VisiCalc

ячейки расставляются в строки и столбцы и могут содержать данные или формулы с

относительными или абсолютными ссылками на другие клетки

Excel был первым табличным процессором позволявшим пользователю менять внешний

вид таблицы (шрифты символы и внешний вид ячеек) Он также первым представил

метод умного пересчета ячеек когда обновляются только те ячейки которые зависят от

- 17 -

измененных ячеек (раньше табличные процессоры либо постоянно пересчитывали все

ячейки или ждали команды пользователя)

Будучи впервые объединенными в Microsoft Office в 1993 году Microsoft Word и Microsoft

PowerPoint получили новый графический интерфейс для соответствия Excel главного

стимула модернизации ПК в то время

Начиная с 1993 года в состав Excel входит Visual Basic для приложений (VBA) язык

программирования основанный на Visual Basic позволяющий автоматизировать задачи

Excel VBA является мощным дополнением к приложению и в более поздних версиях

Excel доступна полнофункциональная интегрированная среда разработки Можно создать

VBA-код повторяющий действия пользователя и таким образом автоматизировать

простые задачи VBA позволяет создавать формы для общения с пользователем Язык

поддерживает использование (но не создание) DLL от ActiveX более поздние версии

позволяют использовать элементы объектно-ориентированного программирования

Функциональность VBA делала Excel легкой мишенью для макровирусов И это было

серьезной проблемой до тех пор пока антивирусные продукты не научились

обнаруживать их Фирма Microsoft с опозданием приняв меры для уменьшения риска

добавила возможность выбора режима безопасности

Идея PowerPoint появилась у Боба Гаскинса (Bob Gaskins) студента университета Беркли

который решил что наступает век графических интерактивных материалов В 1984 году

Гаскинс присоединился к провальной компании Forethought и нанял разработчика

Денниса Остина (Dennis Austin) Боб и Деннис объединили усилия и создали программу

Presenter Деннис создал оригинальную версию программы с Томом Рудкиным (Tom

Rudkin) Позже Боб решил сменить имя на PowerPoint которое и стало названием

конечного продукта

В 1987 году вышел PowerPoint 10 для Apple Macintosh Он работал в черно-белом цвете

Вскоре появились цветные Macintosh и новая версия PowerPoint не заставила себя ждать

Программное руководство с первой редакцией было уникально Это была книга синего

цвета в твердом переплете Компания Forethought считала что это лучше чем куча

исполняемых файлов помощи на компьютере и инструкций в электронном виде Но

обновление инструкции было необоснованно дорого Идея с подобными книгами была

вскоре заброшена

Позже в 1987 году Forethought и ее продукт были куплены Microsoft за 14 млн $ В 1990

году вышла версия для Windows C 1990 года PowerPoint стал стандартом в наборе

программ Microsoft Office

В 2002 году вышла версия PowerPoint которая не только была включена в пакет Microsoft

Office XP но также распространялась как отдельный продукт В нем появились такие

функции как сравнение и смешение изменений в презентации возможность задавать пути

анимации для индивидуальных форм создание пирамидальных радиальных и целевых

диаграмм а также кругов Эйлера панель задач для просмотра и выбора объектов буфера

обмена защита презентации паролем автоматическая генерация фотоальбома а также

―умные теги для быстрого выбора формата текста скопированного в презентацию

Microsoft PowerPoint 2003 не сильно отличается от предшественника Он увеличивает

эффективность работы в группе и теперь имеет возможность создания ―Пакета для CD

- 18 -

который легко позволяет скопировать презентацию с мультимедийным содержанием и

просмотрщик на компакт диск

Текущая версия Power Point 2007 привносит основные изменения в интерфейс программы

и увеличивает графические возможности

PowerPoint является частью Microsoft Office Это позволило PowerPoint стать наиболее

распространенной во всем мире программой для создания презентаций Файлы

презентаций PowerPoint часто пересылаются пользователями программы на другие

компьютеры что означает необходимую совместимость с ними программ конкурентов

Однако поскольку Power Point имеет возможность подключения элементов других

приложений через OLE некоторые презентации становятся сильно привязанными к

платформе Windows что делает невозможным открытие данных файлов например в

версии для Mac OS Это привело к переходу на открытые стандарты такие как PDF и

OASIS OpenDocument

Глава 4 АЛГОРИТМИЗАЦИЯ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

41 Структурный подход к разработке алгоритмов и программ

42 Основные структуры и операторы VBA

43 Примеры на VBA

- 19 -

Глава 5ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ

Компьютерные сети

Понятие компьютерной сети

Компьютерная сеть (Computer Network) ndash это множество компьютеров соединенных

линиями связи и работающих под управлением специального программного обеспечения

Под линией связи обычно понимают совокупность технических устройств и

физической среды обеспечивающих передачу сигналов от передатчика к приемнику В

реальной жизни примерами линий связи могут служить участки кабеля и усилители

обеспечивающие передачу сигналов между коммутаторами телефонной сети На основе

линий связи строятся каналы связи

Каналом связи обычно называют систему технических устройств и линий связи

обеспечивающую передачу информации между абонентами Соотношение между

понятиями канал и линия описывается следующим образом канал связи может

включать в себя несколько разнородных линий связи а одна линия связи может

использоваться несколькими каналами

Главной целью объединения компьютеров в сеть является предоставление пользователям

возможности доступа к различным информационным ресурсам (например документам

программам базам данных и тд) распределенным по этим компьютерам и их

совместного использования

Важной характеристикой любой компьютерной сети является широта территории

которую она охватывает Широта охвата определятся взаимной удаленностью

компьютеров составляющих сеть и следовательно влияет на технологические решения

выбираемые при построении сети Классически выделяют два типа сетей локальные сети

и глобальные сети

К локальным сетям (Local Area Network LAN) обычно относят сети компьютеры

которых сосредоточены на относительно небольших территориях (как правило в радиусе

до 1-2 км) Классическим примером локальных сетей является сеть одного предприятия

расположенного в одном или нескольких стоящих рядом зданиях Небольшой размер

локальных сетей позволяет использовать для их построения достаточно дорогие и

высококачественные технологии что обеспечивает высокую скорость обмена

информацией между компьютерами

Глобальные сети (Wide Area Network WAN) ndash это сети предназначенные для

объединения отдельных компьютеров и локальных сетей расположенных на

значительном удалении (сотни и тысячи километров) друг от друга Поскольку

организация специализированных высококачественных каналов связи большой

протяженности является достаточно дорогой то в глобальных сетях нередко

используются уже существующие и изначально не предназначенные для построения

компьютерных сетей линии (например телефонные или телеграфные) В связи с этим

скорость передачи данных в таких сетях существенно ниже чем в локальных

Независимо от того какую территорию покрывает сеть какие технологические решения

лежат в основе ее организации существуют общие принципы сетевого взаимодействия

которым должно подчиняться функционирование сети Именно выработка таких общих

- 20 -

принципов способствовала в свое время появлению Интернет (Internet) как объединенной

сети (иногда даже используется термин гиперсеть) собравшей в своем составе

локальные городские и глобальные сети всей планеты

Модель сетевого взаимодействия

В 1984 году Международной Организацией по Стандартизации (International Standard

Organization ISO) была разработана модель взаимодействия открытых систем (Open

Systems Interconnection OSI) Модель представляет собой международный стандарт для

проектирования сетевых коммуникаций и предполагает уровневый подход к построению

сетей Каждый уровень модели обслуживает различные этапы процесса взаимодействия

Посредством деления на уровни сетевая модель OSI упрощает совместную работу

оборудования и программного обеспечения Модель OSI разделяет сетевые функции на

семь уровней прикладной уровень представления сессионный транспортный сетевой

канальный и физический

Физический уровень (Physical layer) определяет способ физического соединения

компьютеров в сети Функциями средств относящихся к данному уровню являются

побитовое преобразование цифровых данных в сигналы передаваемые по физической

среде (например по кабелю) а также собственно передача сигналов

Канальный уровень(Data Link layer) отвечает за организацию передачи данных между

абонентами через физический уровень поэтому на данном уровне предусмотрены

средства адресации позволяющие однозначно идентифицировать отправителя и

получателя во всем множестве абонентов подключенных к обще линии связи В функции

данного уровня также входит упорядочивание передачи с целью параллельного

использования одной линии связи несколькими парами абонентов Кроме того средства

канального уровня обеспечивают проверку ошибок которые могут возникать при

передаче данных физическим уровнем

Сетевой уровень(Network layer) обеспечивает доставку данных между компьютерами

сети представляющей собой объединение различных физических сетей Данный уровень

предполагает наличие средств логической адресации позволяющих однозначно

- 21 -

идентифицировать компьютер в объединенной сети Одной из главных функций

выполняемых средствами данного уровня является целенаправленная передача данных

конкретному получателю

Транспортный уровень(Transport layer) реализует передачу данных между двумя

программами функционирующими на разных компьютерах обеспечивая при этом

отсутствие потерь и дублирования информации которые могут возникать в результате

ошибок передачи нижних уровней В случае если данные передаваемые через

транспортный уровень подвергаются фрагментации то средства данного уровня

гарантируют сборку фрагментов в правильном порядке

Сессионный (или сеансовый) уровень (Session layer) позволяет двум программам

поддерживать продолжительное взаимодействие по сети называемое сессией (session)

или сеансом Этот уровень управляет установлением сеанса обменом информацией и

завершением сеанса Он также отвечает за идентификацию позволяя тем самым только

определенным абонентам принимать участие в сеансе и обеспечивает работу служб

безопасности с целью упорядочивания доступа к информации сессии

Уровень представления(Presentation layer) осуществляет промежуточное

преобразование данных исходящего сообщения в общий формат который предусмотрен

средствами нижних уровней а также обратное преобразование входящих данных из

общего формата в формат понятный получающей программе

Основные принципы уровневого взаимодействия

При уровневой организации процесса взаимодействия должны соблюдаться следующие

требования

компоненты одного уровня одной системы могут взаимодействовать с

компонентами только того же уровня другой системы

в рамках одной системы компоненты какого-либо уровня могут взаимодействовать

только с компонентами смежных (вышележащего и нижележащего) уровней

Набор правил определяющих порядок взаимодействия средств относящихся к одному и

тому же уровню и функционирующих в разных системах называется протоколом

(protocol) Правила взаимодействия между собой средств относящихся к смежным

уровням и функционирующих в одной системе называются интерфейсом (interface)

Функции физического уровня

Физический уровень определяет способ физического соединения компьютеров в сети

Основными функциями средств относящихся к данному уровню является побитовое

преобразование цифровых данных в сигналы среды передачи а также собственно

передача сигналов по физической среде

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно распространение

информационных сигналов в виде электрических световых и тп импульсов В настоящее

время выделяют два основных типа физических соединений соединения с помощью

кабеля и беспроводные соединения

- 22 -

Кабель (cable) используемый для построения компьютерных сетей представляет собой

сложную конструкцию состоящую в общем случае из проводников изолирующих и

экранирующих слоев В современных сетях используются три типа кабеля

Каждый тип кабеля отличается от других внутренним устройством и обладает целым

набором технических характеристик влияющих на основные потребительские параметры

сетей

Тип кабеля Характеристика

Максимальное

расстояние передачи

Максимальная

скорость передачи

Коаксиальный

кабель 185 ndash 500 м 10 Мбитс

Витая пара 30 ndash 100 м 10 Мбитс ndash 1

Гбитс

Оптоволоконный

кабель 2 км

10 Мбитс ndash 2

Гбитс

Топология сети - способ соединения компьютеров с помощью физической среды

Если сеть состоит всего из двух компьютеров то они соединяются напрямую Такой

способ соединения получил название точка-точка (point-to-point)

Выделяют три базовые топологии Шина (bus) Кольцо (ring) Звезда(star)

laquoШинаraquo - использует один передающий канал на базе коаксиального кабеля называемый

шиной Все сетевые компьютеры присоединяются напрямую к шине На концах кабеля-

шины устанавливаются специальные заглушки - терминаторы (terminator) Они

необходимы для того чтобы погасить сигнал после прохождения по шине К недостаткам

топологии Шина следует отнести следующее

данные предаваемые по кабелю доступны всем подключенным компьютерам

в случае повреждения шины вся сеть перестает функционировать

laquoКольцоraquo - характерно отсутствие конечных точек соединения сеть замкнута образуя

неразрывное кольцо по которому передаются данные Эта топология подразумевает

следующий механизм передачи данные передаются последовательно от одного

компьютера к другому пока не достигнут компьютера-получателя Недостатки топологии

кольцо те же то и у топологии шина

общедоступность данных

неустойчивость к повреждениям кабельной системы

В сети с топологией звезда все компьютеры соединены со специальным устройством

называемым сетевым концентратором или хабом (hub) который выполняет функции

- 23 -

распределения данных Прямые соединения двух компьютеров в сети отсутствуют

Благодаря этому имеется возможность решения проблемы общедоступности данных а

также повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы Однако

функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора

Канальный уровень - отвечает за организацию передачи данных между абонентами

через физический уровень поэтому на данном уровне предусмотрены средства адресации

позволяющие однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к общему физическому каналу В функции данного

уровня также входит упорядочивание передачи с целью обеспечения возможности

параллельного использования одного физического канала несколькими парами абонентов

Средства канального уровня обеспечивают проверку ошибок которые могут возникать

при передаче данных физическим уровнем Большинство функций канального уровня

выполняются устройствами передачи данных (например сетевым адаптером)

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена способ

представления информации а также необходимый набор правил позволяющий

упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток битов Перед

передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с принципом пакетной

коммутации разделяется на порции каждая из которых снабжается заголовком

содержащим некоторую служебную информацию те формируется пакет На канальном

уровне пакет называется кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает протокол Сложность

канальных протоколов во многом определяется сложностью топологии сети Очевидно

что организовать общение всего двух абонентов существенно проще чем упорядочивать

информационный обмен в сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких

пар абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Сетевой уровень - сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

- 24 -

адресации определенных различными технологиями Поэтому для обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого уровня модели OSI Устройства этого уровня предназначенные для объединения сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку составной сети Процесс определения пути прохождения данных через подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название маршрутизаторов

Транспортный уровень Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных

между устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд) Однако

не следует забывать что на одном узле может функционировать параллельно несколько

программ которым требуется доступ к сети Следовательно данные внутри

компьютерной системы должны распределяться между программами Поэтому при

передаче данных по сети недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо

также идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является отсутствие средств

позволяющих передавать большие массивы данных Когда исходные данные превышают

максимально допустимый размер пакета сетевого уровня то эти данные должны быть

разбиты на порции каждая из которых передается в сеть отдельным пакетом Однако

каждый пакет сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других

блок данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и следовательно ndash

обнаружить нарушение целостности общего массива данных Поэтому средства

транспортного уровня обеспечивают отсутствие потерь информации Такой режим

передачи данных получил название гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой функциональную

надстройку над сетевым уровнем и решают две основных задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

- 25 -

обеспечение гарантированной доставки массивов данных произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash UDP

обеспечивающий негарантированную доставку данных между программами и TCP

обеспечивающий гарантированную доставку с установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной уровень - Компоненты четырех

нижних уровней модели OSI (физического канального сетевого и транспортного)

представляют собой механизм обеспечивающий доставку данных любого типа и

произвольного объема между программами работающими на разных узлах составной

сети Однако при работе в сети пользователям требуется не просто пересылка данных а

выполнение каких-либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех возможностей

которые предоставляют средства нижних уровней недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо просмотреть

документ расположенный не на его локальном компьютере а на удаленной машине

Решение такой задачи предполагает как минимум прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса содержащего имя

документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной машины

изменений вносимых в этот документ другими пользователями и уведомление об этом

пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав пользователя на

работу с документом что предполагает дополнительный обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних уровней не имеют

средств позволяющих реализовать специфику такого взаимодействия Поэтому для его

организации требуются дополнительные надстройки над средствами транспортного и

нижележащих уровней В эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный

уровень уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или сессии) при

длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое (виртуальное) соединение между

двумя программами в общем случае функционирующими на разных компьютерах В

простейшем случае установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти необходимых для

приема и передачи данных После окончания передачи данных происходит закрытие

соединения предполагающее освобождение выделенных ресурсов Во многих случаях

этого недостаточно поэтому сессионный уровень предлагает более сложные механизмы

для организации сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая поддержка

осуществляется путем периодической отправки специальных тестовых пакетов при

получении которых участник соединения должен ответить Возвращаясь к

предложенному выше примеру следует отметить что установление соединения при

работе с удаленным документом позволяет один раз перед началом работы проверить

- 26 -

права доступа пользователя а также один раз передать запрос с именем файла В случае

если бы соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог бы

уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться дополнительное

преобразование Например это необходимо в случае если взаимодействующие

программы используют различные способы кодировки текстовой информации или если

для обеспечения защиты информации требуется осуществлять шифрование данных

Обеспечение подобных промежуточных преобразований возложено на уровень

представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными уровнями Они

позволяют осуществлять работу с различными информационными ресурсами сети

например файлами или сообщениями электронной почты Естественно что различные

типы ресурсов в общем случае требуют различных методов обработки и в том числе

методов сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI является

прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции работы с конкретными

информационными объектами В предложенном выше примере (чтение удаленного

документа) к функциям прикладного протокола относятся формирование запросов на

получение документа проверка прав доступа а также определение порядка пересылки

файлов и уведомлений об изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами определяемых

протоколами прикладного уровня часть функций сессионного уровня и уровня

представления может оказаться избыточной поэтому при программной реализации три

верхних уровня обычно объединяются

Модель сетевого взаимодействия

В 1984 году Международной Организацией по Стандартизации (International

Standard Organization ISO) была разработана модель взаимодействия

открытых систем (Open Systems Interconnection OSI) Модель представляет

собой международный стандарт для проектирования сетевых коммуникаций

и предполагает уровневый подход к построению сетей Каждый уровень

модели обслуживает различные этапы процесса взаимодействия

Посредством деления на уровни сетевая модель OSI упрощает совместную

работу оборудования и программного обеспечения Модель OSI разделяет

сетевые функции на семь уровней прикладной уровень представления

сессионный транспортный сетевой канальный и физический

Ниже дается краткая характеристика уровней модели

Физический уровень (Physical layer) определяет способ физического

соединения компьютеров в сети Функциями средств относящихся к

данному уровню являются побитовое преобразование цифровых

- 27 -

данных в сигналы передаваемые по физической среде (например по

кабелю) а также собственно передача сигналов

Канальный уровень(Data Link layer) отвечает за организацию передачи

данных между абонентами через физический уровень поэтому на

данном уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к обще линии связи В функции

данного уровня также входит упорядочивание передачи с целью

параллельного использования одной линии связи несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем

Сетевой уровень(Network layer) обеспечивает доставку данных между

компьютерами сети представляющей собой объединение различных

физических сетей Данный уровень предполагает наличие средств

логической адресации позволяющих однозначно идентифицировать

компьютер в объединенной сети Одной из главных функций

выполняемых средствами данного уровня является целенаправленная

передача данных конкретному получателю

Транспортный уровень(Transport layer) реализует передачу данных

между двумя программами функционирующими на разных

компьютерах обеспечивая при этом отсутствие потерь и дублирования

информации которые могут возникать в результате ошибок передачи

нижних уровней В случае если данные передаваемые через

транспортный уровень подвергаются фрагментации то средства

данного уровня гарантируют сборку фрагментов в правильном

порядке

Сессионный (или сеансовый) уровень (Session layer) позволяет двум

программам поддерживать продолжительное взаимодействие по сети

называемое сессией (session) или сеансом Этот уровень управляет

установлением сеанса обменом информацией и завершением сеанса

Он также отвечает за идентификацию позволяя тем самым только

определенным абонентам принимать участие в сеансе и обеспечивает

работу служб безопасности с целью упорядочивания доступа к

информации сессии

Уровень представления(Presentation layer) осуществляет

промежуточное преобразование данных исходящего сообщения в

общий формат который предусмотрен средствами нижних уровней а

также обратное преобразование входящих данных из общего формата в

формат понятный получающей программе

Прикладной уровень (Application layer) предоставляет

высокоуровневые функции сетевого взаимодействия такие как

передача файлов отправка сообщений по электронной почте и тп

Основные принципы уровневого взаимодействия

- 28 -

При уровневой организации процесса взаимодействия должны соблюдаться

следующие требования

компоненты одного уровня одной системы могут взаимодействовать с

компонентами только того же уровня другой системы

в рамках одной системы компоненты какого-либо уровня могут

взаимодействовать только с компонентами смежных (вышележащего и

нижележащего) уровней

Порядок уровневого взаимодействия

Набор правил определяющих порядок взаимодействия средств относящихся

к одному и тому же уровню и функционирующих в разных системах

называется протоколом (protocol) Правила взаимодействия между собой

средств относящихся к смежным уровням и функционирующих в одной

системе называются интерфейсом (interface)

Практическая реализация уровневого взаимодействия

На практике протоколы и интерфейсы регламентируют технические

требования предъявляемые к программным и аппаратным средствам

Программные (аппаратные) модули предназначенные для обеспечения

практического взаимодействия определяемого тем или иным протоколом

(или интерфейсом) обычно называют реализацией протокола (или

интерфейса)

Хотя различные компоненты относящиеся к различным уровням сетевой

модели формально должны быть функционально независимыми друг от

друга при практической разработке протоколов такая независимость не

всегда выдерживается Это объясняется тем что попытка добиться точного

соответствия эталонной модели может привести к неэффективности работы

программно-аппаратного обеспечения реализующего протокол В настоящее

время наблюдается два типа отклонений возникающих при реализации

уровневого взаимодействия

- 29 -

функции некоторых уровней могут объединяться одним протоколом и

наоборот ndash функции одного уровня могут делиться между различными

протоколами

функционирование протокола какого-либо уровня подразумевают

использование только определенных протоколов нижележащего

уровня

Поэтому разработка практических методов сетевого взаимодействия как

правило подразумевает разработку не отдельных протоколов а целых

наборов протоколов Такие наборы обычно включают в себя протоколы

относящиеся к нескольким смежным уровням эталонной модели OSI и

называются стеками (или семействами наборами) протоколов (protocol stack

protocol suite) Наиболее известным стеком протоколов обеспечивающим

взаимодействие в сети Интернет является стек протоколов TCPIP

Физический уровень

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Среда передачи

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Физический уровень определяет способ физического соединения

компьютеров в сети Основными функциями средств относящихся к

данному уровню является побитовое преобразование цифровых данных в

сигналы среды передачи а также собственно передача сигналов по

физической среде

Кабельные системы

- 30 -

Кабель (cable) используемый для построения компьютерных сетей

представляет собой сложную конструкцию состоящую в общем случае из

проводников изолирующих и экранирующих слоев В современных сетях

используются три типа кабеля

Еще одним важным понятием физического уровня является способ

соединения компьютеров с помощью физической среды или топология сети

Если сеть состоит всего из двух компьютеров то они соединяются

напрямую Такой способ соединения получил название точка-точка

(point-to-point)

Соединение типа точка-точка

Для обеспечения связи более чем двух компьютеров может использоваться

последовательность соединений типа точка-точка

Последовательность соединений типа точка-точка

Однако такой подход требует установки на большую часть компьютеров

нескольких устройств передачи данных

В качестве альтернативного подхода возможно использование более

сложных топологий позволяющих подключить к общей среде сразу

несколько компьютеров имеющих по одному устройству передачи данных

- 31 -

Выделяют три базовые топологии Шина (bus) Кольцо (ring)

Звезда(star)

Топология laquoШинаraquo

Топология Шина

Эта топология использует один передающий канал на базе коаксиального

кабеля называемый шиной Все сетевые компьютеры присоединяются

напрямую к шине На концах кабеля-шины устанавливаются специальные

заглушки - терминаторы (terminator) Они необходимы для того чтобы

погасить сигнал после прохождения по шине К недостаткам топологии

Шина следует отнести следующее

данные предаваемые по кабелю доступны всем подключенным

компьютерам

в случае повреждения шины вся сеть перестает функционировать

Топология laquoКольцоraquo

Топология Кольцо

Для топологии кольцо характерно отсутствие конечных точек соединения

сеть замкнута образуя неразрывное кольцо по которому передаются данные

Эта топология подразумевает следующий механизм передачи данные

передаются последовательно от одного компьютера к другому пока не

- 32 -

достигнут компьютера-получателя Недостатки топологии кольцо те же то

и у топологии шина

общедоступность данных

неустойчивость к повреждениям кабельной системы

Топология laquoЗвездаraquo

Топология Звезда

В сети с топологией звезда все компьютеры соединены со специальным

устройством называемым сетевым концентратором или хабом (hub)

который выполняет функции распределения данных Прямые соединения

двух компьютеров в сети отсутствуют Благодаря этому имеется

возможность решения проблемы общедоступности данных а также

повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы Однако

функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора

Физическая и логическая топологии

Следует отметить что термин топология может употребляться для

обозначения двух понятий ndash физической топологии и логической топологии

Физическая топология ndash способ физического соединения компьютеров с

помощью среды передачи например участками кабеля Логическая

топология определяет маршруты передачи данных в сети Во многих

случаях физическая топология однозначно определяет логическую

топологию Однако существуют такие конфигурации в которых логическая

топология отличается от физической Например сеть с физической

- 33 -

топологией laquoзвездаraquo может иметь логическую топологию laquoшинаraquo ndash все

зависит от того каким образом устроен сетевой концентратор

Кодированиедекодирование данных Как известно данные обрабатываемые

компьютером представляются в двоичном виде - как последовательность

нулей и единиц Однако понятия нуль и единица являются логическими

понятиями обозначающими электрические сигналы отличающиеся друг от

друга физическими параметрами и использующиеся для представления

информации в различных устройствах например оперативной памяти или

центральном процессоре В силу различных технических причин эти сигналы

не всегда могут передаваться по физическим каналам связи Поэтому они

должны быть преобразованы Процесс преобразования сигналов удобных

для компьютера в сигналы которые могут быть переданы по сети

называется физическим кодированием а обратное преобразование -

декодированием

Передача сигналов Информационные сигналы передаются по физическим

линиям связи последовательно В случае если между передающей и

принимающей сторонами параллельно существуют более одной линии

например проложено несколько кабелей то оказывается возможным

одновременно (параллельно) передавать несколько сигналов Если эти

сигналы представляют различные биты передаваемых данных то

повышается скорость информационного обмена Если же сигналы

представляют один и тот же бит данных - то повышается надежность

взаимодействия

Канальный уровень

Канальный уровень отвечает за организацию передачи данных

между абонентами через физический уровень поэтому на данном

уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к общему физическому

каналу В функции данного уровня также входит упорядочивание

передачи с целью обеспечения возможности параллельного

использования одного физического канала несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем Большинство функций канального уровня

выполняются устройствами передачи данных (например сетевым

- 34 -

адаптером)

Метод коммутации

дной из центральных проблем организации передачи данных по физическим

каналам является проблема параллельного использования одного и того же

канала несколькими парами абонентов Методы лежащие в основе ее

решения получили название методов коммутации

В настоящее время существует два основных метода коммутации

коммутация каналов и коммутация пакетов

Коммутация каналов предполагает что перед началом передачи данных

должна быть выполнена процедура установления соединения в результате

которой образуется составной канал По окончании сеанса связи соединение

разрывается и канал освобождается Классическим примером реализации

коммутации каналов является телефонная связь которая подразумевает что

абонент перед началом разговора набирает номер второго абонента в

результате чего последовательное переключение промежуточных

коммутаторов позволяет образовать непрерывный канал связи между

абонентами Коммутация каналов удобна для организации линий связи в

которых подразумевается передача потоков данных постоянной

интенсивности например таких как телефонный разговор в силу чего этот

метод оказывается недостаточно гибким при построении компьютерных

сетей

Метод коммутации пакетов основан на разбиении передаваемых по сети

данных на небольшие порции Каждая такая порция передается по сети

как единое целое и называется пакетом Такой метод является очень

удобным для параллельного использования физического канала несколькими

парами абонентов канал является занятым только во время прохождения

пакета Временные промежутки между передачей пакетов одним абонентам

могут быть использованы другими для отправки собственных пакетов

Пакет обычно состоит из двух частей ndash заголовка содержащего служебные

данные необходимые для управления доставкой пакета и собственно

данных подлежащих передаче Порядок обмена пакетами а также

конкретный состав заголовка пакетов определяется сетевым протоколом

Для именования пакетов различных уровней модели OSI используются

специальные термины Для канального уровня используется термин кадр

для сетевого ndash пакет для транспортного ndash сегмент дейтаграмма для

сессионного и более высоких уровней ndash сообщение

- 35 -

Протоколы канального уровня

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена

способ представления информации а также необходимый набор правил

позволяющий упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток

битов Перед передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с

принципом пакетной коммутации разделяется на порции каждая из

которых снабжается заголовком содержащим некоторую служебную

информацию те формируется пакет На канальном уровне пакет называется

кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает

протокол Сложность канальных протоколов во многом определяется

сложностью топологии сети Очевидно что организовать общение всего двух

абонентов существенно проще чем упорядочивать информационный обмен в

сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких пар

абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Структура кадра данных

Состав заголовка кадра зависит от многих факторов определяемых набором

функций которые выполняет протокол Тем не менее можно выделить ряд

информационных полей которые обычно присутствуют в заголовке кадра К

таким полям относятся

1 Специальные поля предназначенные для определения границ кадров

Поскольку в физической среде могут постоянно проходить какие-либо

сигналы то сетевые адаптеры должны уметь разбираться в том когда

начинается передача кадра и когда она заканчивается

2 Поле предназначенное для определения протокола сетевого уровня

которому необходимо передать данные Так как на одном компьютере могут

функционировать программные модули различных протоколов сетевого

уровня то протоколы канального уровня должны уметь распределять данные

по этим протоколам

3 Контрольная сумма (или специальный код) содержимого кадра которая

позволяет принимающей стороне определить наличие ошибок в принятых

данных Принцип ее использования состоит в следующем Сетевой адаптер

отправляющего компьютера после формирования кадра вычисляет значение

- 36 -

его контрольной суммы на основе содержимого и помещает это значение в

заголовок кадра Принимающая сторона также вычисляет контрольную

сумму полученного кадра и сравнивает его со значением помещенным в

заголовке Если они не совпадают то это означает что во время передачи

кадра произошла ошибка

4 Поля предназначенные для адресации абонентов в сложных сетях

(определены для протоколов применяемых в сетях базирующихся на

сложных топологиях)

Обобщенная структура кадра данных

Протоколы для сетей сложных топологий

Протоколы канального уровня этой группы являются более сложными чем

протоколы использующиеся в сетях типа точка-точка так как вынуждены

выполнять ряд дополнительных функций Основными функциями являются

Выделение на всем множестве компьютеров подключенных к сети

конкретного абонента с которым осуществляется информационный обмен

то есть адресация

Адресация абонентов

Упорядочивание доступа к среде передачи в случае когда нескольким парам

абонентов требуется осуществить передачу данных

Для обеспечения адресации абонентов в заголовке кадров должны

присутствовать следующие поля

- 37 -

1 Адрес отправителя ndash некоторое число (или набор чисел) позволяющее

идентифицировать сетевой адаптер (а следовательно и компьютер в

котором она установлена) который осуществил передачу кадра данных в

сеть Адреса присваиваются сетевым адаптерам на заводе-изготовителе и

как правило не изменяются в дальнейшем хотя большинство современных

адаптеров позволяют перепрограммировать сетевой адрес

Протоколы канального уровня и сетевые технологии

Функциональный состав того или иного протокола канального уровня во

многом определяется особенностями физического уровня например

топологией сети или типом среды передачи Поэтому при проектировании

сетевого взаимодействия используются и разрабатываются комплексные

стандарты получившие название сетевых технологий

Сетевая технология ndash это набор стандартов определяющий минимальный

состав программно-аппаратных средств достаточный для организации

взаимодействия компьютеров в сети Как правило сетевая технология

определяет топологию сети а также протокол канального уровня (формат

кадра порядок обмена кадрами MTU)

В настоящее время существует большое количество сетевых технологий и

соответственно определяемых ими протоколов канального уровня

Рассмотрим для примера одну из наиболее популярных в настоящее время

технологий ndash технологию локальных сетей Ethernet Эта технология

предполагает что сеть должна строиться на основе физических топологий

шина если используется коаксиальный кабель или звезда если

используется кабель типа витая пара В зависимости от типа используемого

кабеля скорость передачи данных лежит в диапазоне 10-100 Мбитс В

качестве метода доступа к среде передачи используется метод обнаружения

коллизий (CSMACD) Что касается формата кадра то в настоящее время на

практике используются 4 варианта кадров Ethernet отличающихся друг от

друга но все они согласуются с общими положениями изложенными ранее

Максимальный объем данных передаваемых в одном кадре (MTU) в

технологии Ethernet не может превышать 1500 байт

Помимо технологии Ethernet в настоящее время в локальных сетях широко

используются технологии AppleTalk FDDI и ATM В глобальных сетях

широко распространены технологии ATM FrameRelay ISDN и SMDS

Существует также ряд технологий использующихся для организации

беспроводных сетей Наиболее популярной технологией применяемой при

- 38 -

построении локальных сетей в настоящее время является технология

RadioEthernet Она предполагает передачу данных в двух УКВ-диапазонах

около 915 МГЦ и 2400-24835 МГц а также в инфракрасном спектре

Диапазон 915 МГц в России и Европе достаточно сильно загружен

средствами связи (сотовая телефония) поэтому он используется как

правило для организации сетей внутри зданий хотя технически позволяет

осуществлять передачу на значительные расстояния Это же ограничение

распространяется и на инфракрасный диапазон поскольку инфракрасные

лучи чувствительны к погодным условиям В зависимости от того какой

режим передачи используется сети RadioEthernet позволяют осуществлять

передачу данных со скоростью 2 - 10 Мбитс Технология RadioEthernet

предполагает построение сетей на базе топологий точка-точка и звезда В

качестве метода доступа используется метод предупреждения коллизий

(CSMACA)

Наряду с кабельными и беспроводными технологиями существуют также

технологии предполагающие комбинирование различных типов физической

среды передачи Обычно они применяются для построения асимметричных

сетей небольшие по объему запросы пользовательских компьютеров

передаются по кабельным каналам например с использованием телефонных

линий и модемов а прием осуществляется через спутниковый радиоканал

Объединение сетей на канальном уровне

Сложные сети в общем случае представляют собой совокупность

нескольких сетей Такие сети называются объединенными сетями

(internetwork)

Необходимость объединения сетей может быть вызвана разными причинами

Прежде всего это - преодоление технических ограничений среды передачи

например максимального расстояния передачи данных Кроме того

построение сети как объединенной позволяет повысить надежность (выход

из строя одной физической среды не влияет на работу остальных) и

обеспечить определенный уровень конфиденциальности (данные

передаваемые между компьютерами одной физической среды оказываются

недоступными компьютерам других сетей)

Для построения объединенных сетей требуются специальные устройства

которые позволяют подключать к себе две (или более) сети Наиболее

простым устройством такого вида является мост (bridge)

Мост

- 39 -

Принцип функционирования моста достаточно прост для подключения сетей

мост располагает несколькими портами с каждым из которых связываются

записи так называемой адресной таблицы содержащей список адресов

компьютеров сетей подключенных к мосту Когда мост получает кадр

данных то он передает его в сеть через порт который согласно таблице

соответствует адресу получателя В случае если адрес получателя не

обнаружен в адресной таблице то кадр передается во все сети Адресные

таблицы мостов как правило строятся на основе анализа кадров

передаваемых по сетям

Функции сетевого уровня

Сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе

различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне

достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети

но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети

с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это

объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

адресации определенных различными технологиями Поэтому для

обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства

представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую

абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых

технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого

уровня модели OSI

Очевидно что устройства этого уровня предназначенные для объединения

сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального

уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную

передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть

определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку

составной сети Процесс определения пути прохождения данных через

подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства

объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название

маршрутизаторов

- 40 -

Протокол IP

Протокол IP (Internet Protocol) входит в состав стека протоколов TCPIP и

является основным протоколом сетевого уровня использующимся в

Интернет и обеспечивающим единую схему логической адресации устройств

в сети и маршрутизацию данных

Для выполнения своих функций протокол определяет свой собственный

формат пакета Основными информационными полями заголовка пакета

являются

IP-адреса отправителя и получателя ndash предназначены для

идентификации отправителя и получателя (см IP-адресация)

Время жизни пакета (Time To Live TTL) - определяет время которое

IP-пакет может находиться в сети и предназначено для

предотвращения захламления сети заблудившимися пакетами

поля предназначенные для фрагментации пакетов (см IP-

фрагментация)

поля предназначенные для управления обработкой пакета (длина

пакета и заголовка контрольная сумма заголовка тип обслуживания и

тд)

Существует 5 классов IP-адресов ndash A B C D E Принадлежность IP-

адреса к тому или иному классу определяется значением первого

октета (W) Ниже показано соответствие значений первого октета и

классов адресов

Класс IP-адреса A B C D E

Диапазон первого

октета

1-

126

128-

191

192-

223

224-

239

240-

247

IP-адреса первых трех классов предназначены для адресации

отдельных узлов и отдельных сетей Такие адреса состоят из двух

частей ndash номера сети и номера узла Такая схема аналогична схеме

почтовых индексов ndash первые три цифры кодируют регион а остальные

ndash почтовое отделение внутри региона

Преимущества двухуровневой схемы очевидны она позволяет во-

первых адресовать целиком отдельные сети внутри составной сети

что необходимо для обеспечения маршрутизации а во-вторых ndash

присваивать узлам номера внутри одной сети независимо от других

сетей Естественно что компьютеры входящие в одну и ту же сеть

должны иметь IP-адреса с одинаковым номером сети

- 41 -

IP-Маршрутизация ndash процесс выбора пути для передачи пакета в сети Под

путем (маршрутом) понимается последовательность маршрутизаторов через

которые проходит пакет по пути к узлу-назначению IP-маршрутизатор ndash это

специальное устройство предназначенное для объединения сетей и

обеспечивающее определение пути прохождения пакетов в составной сети

Маршрутизатор должен иметь несколько IP-адресов с номерами сетей

соответствующими номерам объединяемых сетей

Как известно для разных сетевых технологий значение MTU определенное

для кадров данных может отличаться Поэтому при преобразовании кадров

на маршрутизаторе может потребоваться разделение вложенных в них IP-

пакетов на более мелкие пакеты

Для разделения пакетов на фрагменты модуль IP установленный на

маршрутизаторе создает на его основе некоторое число новых пакетов (в

соответствии с длиной исходного пакета и значения MTU для сети куда

должны быть переданы данные) Для того чтобы данные могли быть

правильно собраны получателем в заголовки новых IP-пакетов помещается

специальный числовой идентификатор позволяющий однозначно

определить что эти пакеты являются фрагментами одного большого пакета

Кроме того в заголовках также указывается положения фрагментов в

исходном пакете что позволяет обеспечить правильный порядок сборки

получателем

Вспомогательные протоколы сетевого уровня стека TCPIP

Главными функциями протокола IP является обеспечение единой схемы

адресации независимой от принципов адресации определяемых сетевыми

технологиями (адресацией канального уровня) а также передача данных по

составной сети (маршрутизация и фрагментация пакетов) Однако для

организации реального взаимодействия этого оказывается недостаточно -

существует еще ряд проблем

Первая проблема состоит в следующем Для того чтобы передать данные по

сети программное обеспечение протокола IP создает пакет и передает его

средствам канального уровня При этом средствам канального уровня для

формирования кадра данных необходим адрес получателя причем не

логический IP-адрес а MAC-адрес который может быть правильно опознан

сетевым адаптером принимающего компьютера Однако спецификацией

протокола IP не предусмотрен механизм позволяющий определять

соответствие между аппаратными и IP-адресами Эту функцию выполняет

вспомогательный протокол сетевого уровня ARP (Address Resolution

Protocol) входящий в семейство протоколов TCPIP

- 42 -

Другая серьезная проблема состоит в том что если при обработке IP-пакета

на маршрутизаторе возникли какие-то проблемы например истекло время

жизни пакета то отправитель о них не узнает поскольку механизм

обратной связи также не предусмотрен спецификацией протокола IP Для

решения этой проблемы используется специальный протокол сетевого

уровня ICMP (Internet Control Message Protocol) входящий в стек протоколов

TCPIP и обеспечивающий передачу управляющей информации и

информации об ошибках

В семействе протоколов TCPIP предусмотрен также ряд других

вспомогательных протоколов например протоколы динамической

маршрутизации обеспечивающие обмен информацией между

маршрутизаторами с целью автоматизации построения таблиц

маршрутизации

Транспортный уровень

Функции транспортного уровня

Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных между

устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд)

Однако не следует забывать что на одном узле может функционировать

параллельно несколько программ которым требуется доступ к сети

Следовательно данные внутри компьютерной системы должны

распределяться между программами Поэтому при передаче данных по сети

недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо также

идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является

отсутствие средств позволяющих передавать большие массивы данных

Когда исходные данные превышают максимально допустимый размер пакета

сетевого уровня то эти данные должны быть разбиты на порции каждая из

которых передается в сеть отдельным пакетом Однако каждый пакет

сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других блок

данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и

следовательно ndash обнаружить нарушение целостности общего массива

данных Поэтому средства транспортного уровня обеспечивают отсутствие

потерь информации Такой режим передачи данных получил название

гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой

- 43 -

функциональную надстройку над сетевым уровнем и решают две основных

задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

обеспечение гарантированной доставки массивов данных

произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash

UDP обеспечивающий негарантированную доставку данных между

программами и TCP обеспечивающий гарантированную доставку с

установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной

уровень

Компоненты четырех нижних уровней модели OSI (физического канального

сетевого и транспортного) представляют собой механизм обеспечивающий

доставку данных любого типа и произвольного объема между программами

работающими на разных узлах составной сети Однако при работе в сети

пользователям требуется не просто пересылка данных а выполнение каких-

либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех

возможностей которые предоставляют средства нижних уровней

недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо

просмотреть документ расположенный не на его локальном компьютере а

на удаленной машине Решение такой задачи предполагает как минимум

прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса

содержащего имя документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного

компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной

машины изменений вносимых в этот документ другими пользователями и

уведомление об этом пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав

пользователя на работу с документом что предполагает дополнительный

- 44 -

обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних

уровней не имеют средств позволяющих реализовать специфику такого

взаимодействия Поэтому для его организации требуются дополнительные

надстройки над средствами транспортного и нижележащих уровней В

эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный уровень

уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или

сессии) при длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое

(виртуальное) соединение между двумя программами в общем случае

функционирующими на разных компьютерах В простейшем случае

установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти

необходимых для приема и передачи данных После окончания передачи

данных происходит закрытие соединения предполагающее освобождение

выделенных ресурсов Во многих случаях этого недостаточно поэтому

сессионный уровень предлагает более сложные механизмы для организации

сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая

поддержка осуществляется путем периодической отправки специальных

тестовых пакетов при получении которых участник соединения должен

ответить Возвращаясь к предложенному выше примеру следует отметить

что установление соединения при работе с удаленным документом позволяет

один раз перед началом работы проверить права доступа пользователя а

также один раз передать запрос с именем файла В случае если бы

соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог

бы уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться

дополнительное преобразование Например это необходимо в случае если

взаимодействующие программы используют различные способы кодировки

текстовой информации или если для обеспечения защиты информации

требуется осуществлять шифрование данных Обеспечение подобных

промежуточных преобразований возложено на уровень представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными

уровнями Они позволяют осуществлять работу с различными

информационными ресурсами сети например файлами или сообщениями

электронной почты Естественно что различные типы ресурсов в общем

случае требуют различных методов обработки и в том числе методов

сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI

- 45 -

является прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции

работы с конкретными информационными объектами В предложенном выше

примере (чтение удаленного документа) к функциям прикладного протокола

относятся формирование запросов на получение документа проверка прав

доступа а также определение порядка пересылки файлов и уведомлений об

изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами

определяемых протоколами прикладного уровня часть функций сессионного

уровня и уровня представления может оказаться избыточной поэтому при

программной реализации три верхних уровня обычно объединяются

Page 10: - 3 - ВВЕДЕНИЕicm.muctr.ru/study/computers/inf001.pdf · 2016-08-25 · - 7 - А) Количество информации как мера уменьшения неопределенности

- 12 -

Поколения ЭВМ

1На основе электронных ламп

2На основе электронных ламп и

дискретных транзисторных

логических элементов

3Семейства машин с единой

архитектурой

интегральные схемы

4Проектировались в расчете на

эффективное использование

современных высокоуровневых

языков

Поколения ЭВМ

1На основе электронных ламп

2На основе электронных ламп и

дискретных транзисторных

логических элементов

3Семейства машин с единой

архитектурой

интегральные схемы

4Проектировались в расчете на

эффективное использование

современных высокоуровневых

языков

- 13 -

Т

Основы построения ЭВМ

bull Принципы функционирования

универсальных вычислительных

устройств

bull 1 Принцип программного управления

bull 2 Принцип однородности памяти

bull 3 Принцип адресности

Поколения ЭВМ

- 14 -

Языки

сверхвысокого

Уровня

Сенсорные

Устройства

Оптические

диски

ДоскаСверхбольшие

Интегральные

схемы

90-нв5

Языки высокого

уровня

Интерактивные

устройства

ВинчестерыСтолБольшие

интеграль

ные

схемы

(БИС)

70ndash804

Алгоритмические

языки

ДисплеиМагнитные

диски

ШкафИнтегральные

схемы (ИС)

60ndash703

Автокоды

(ассемблер)

ТелетайпыМагнитные

ленты

КомнатаТранзисторы50ndash602

Машинные

языки

ПерфораторыМагнитный

барабан

Машинный

зал

Лампы40ndash501

ЯзыкиInoutНакопителиГабаритыЭлементыГодыПоколение

Глава 3 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

31 Развитие программного обеспечения

32Состав Microsoft Office

33 История языков программирования

Microsoft Word (часто mdash MS Word WinWord или просто Word) mdash это текстовый

процессор предназначенный для создания просмотра и редактирования текстовых

документов с локальным применением простейших форм таблично-матричных

алгоритмов Текстовый процессор выпускается корпорацией Microsoft в составе

пакета Microsoft Office Первая версия была написана Ричардом Броди (Richard

Brodie) для IBM PC использующих DOS в 1983 году Позднее выпускались версии

для Apple Macintosh (1984) SCO UNIX и Microsoft Windows (1989)

Microsoft Word многим обязан Bravo mdash текстовому процессору с оригинальным

графическим интерфейсом разработанному в исследовательском центре laquoXerox

PARCraquo Создатель Bravo Чарльз Симони (Charles Simonyi) покинул PARC в 1981

году Тем же летом Симони переманил Броди с которым вместе работал над Bravo

Первый выпуск Word для MS-DOS состоялся в конце 1983 года Он был плохо принят

рынком продажи снижало наличие конкурирующего продукта mdash WordPerfect

Однако версия для Макинтоша выпущенная в 1985 году получила широкое

распространение Через два года laquoWord 301 для Macintoshraquo усилил позиции (версия 30

изобиловала ошибками и быстро была заменена) Как и прочее программное обеспечение

для Макинтоша Word был полностью WYSIWYG-редактором (принцип laquoWhat You See Is

What You Getraquo mdash laquoполучаю то что вижуraquo)

- 15 -

Хотя MS-DOS и являлась текстовой операционной системой лишѐнной графической

оболочки Word для DOS был первым текстовым процессором для IBM PC который был

способен отображать разметку текста например полужирный или курсивный текст в

процессе редактирования Однако он всѐ же не являлся в полном смысле WYSIWYG-

редактором Другие же текстовые процессоры такие как WordStar и WordPerfect

использовали простой текстовый экран с кодами разметки иногда текст был цветным

Однако поскольку в большинстве программного обеспечения под DOS применялись

собственные труднозапоминаемые комбинации laquoгорячих клавишraquo для каждой команды

(например в Wordrsquoе для DOS сохранение файла выполнялось по комбинации ESC-T-S) и

большинство секретарей умели пользоваться только WordPerfect компании весьма

неохотно переходили на конкурирующие с ним продукты имеющие сравнительно

небольшие преимущества

Первая версия Word для Windows выпущенная в 1989 году продавалась по цене 500

долларов США Она демонстрировала выбранный компанией Майкрософт путь развития

как и сама Windows она многое взяла от Macintosh и использовала стандартные

клавиатурные сокращения (например CTRL-S для сохранения файла) После выпуска в

следующем году Windows 30 продажи поползли вверх (Word 10 гораздо лучше работал с

Windows 30 чем с более старыми версиями Windows386 и Windows286) главный

конкурент mdash WordPerfect mdash не смог выпустить рабочую версию под Windows что

оказалось для него смертельной ошибкой Версия 20 утвердила WinWord на позиции

лидера рынка

У Word для Macintosh никогда не было серьѐзных конкурентов даже несмотря на наличие

программ вроде Nisus предоставлявшую возможность выделения нескольких несвязных

кусков текста (появившуюся только в Word 2002 из Office XP) и несмотря на мнение

многих пользователей об отсутствии кардинальных различий между версиями 301

выпущенной в 1987 году и версией 50 выпущенной в 1991 Однако версия 60 для

Macintosh вышедшая в 1994 году была многими воспринята довольно скептически Это

была первая версия без значительных отличий в коде ядра между версиями под Windows и

под Mac Версия под Windows следовавшая за 20 была пронумерована как 60 для

координации названия версий под разные платформы

Последовавшие версии добавляли возможности выходящие за рамки простого текстового

процессора Инструменты рисования позволяли выполнять примитивные операции

вѐрстки такие как добавление графики в документ хотя естественно

специализированные программы для вѐрстки лучше справляются с этими задачами

Внедрение объектов сравнение версий документа мультиязычная поддержка и многие

другие возможности были добавлены за последовавшие несколько лет

Microsoft Word является наиболее популярным из используемых в данный момент

текстовых процессоров что сделало его бинарный формат документа стандартом де-

факто и многие конкурирующие программы имеют поддержку совместимости с данным

форматом Расширение laquodocraquo на платформе IBM PC стало синонимом двоичного формата

Word 97mdash2000 Фильтры экспорта и импорта в данный формат присутствуют в

большинстве текстовых процессоровФормат документа разных версий Word меняется

различия бывают довольно тонкими Форматирование нормально выглядящее в

последней версии может не отображаться в старых версиях программы однако есть

ограниченная возможность сохранения документа с потерей части форматирования для

открытия в старых версиях продукта Последняя версия MS Word 2007 использует по

умолчанию формат основанный на XML - Microsoft Office Open XML Спецификация

- 16 -

форматов файлов Word 97-2007 были опубликован Microsoft в 2008 году[1][2]

Ранее

большая часть информации нужной для работы с данным форматом добывалась

посредством обратного инжиниринга поскольку основная еѐ часть отсутствовала в

открытом доступе или была доступна лишь ограниченному числу партнеров и

контролирующих организаций

Как и прочие приложения из Microsoft Office Word может расширять свои возможности

посредством использования встроенного макроязыка (сначала использовался WordBasic с

версии Word 97 применяется VBA mdash Visual Basic для приложений) Однако это

предоставляет широкие возможности для написания встраиваемых в документы вирусов

(так называемые laquoмакровирусыraquo) Наиболее ярким примером была эпидемия червя

Melissa В связи с этим многие считают разумной рекомендацию всегда выставлять

наивысший уровень настроек безопасности при использовании Word (Меню

laquoToolsgtMacrogtSecurityraquo laquoСервисgtМакросgtБезопасностьhellipraquo в локализованных русских

версиях) Также нелишним будет использовать антивирусное программное обеспечение

Первым вирусом заражавшим документы Microsoft Word был DMV созданный в декабре

1994 года Дж МакНамарой для демонстрации возможности создания макровирусов

Первым же вирусом попавшим в дикую природу и вызвавшим первую в мире

эпидемию макровирусов (это произошло в июле-августе 1995 г) был Concept

12 августа 2009 года суд штата Техас запретил продажу программы Word на территории

США в связи с тем что Microsoft незаконно использует метод чтения XML-файлов

патент на который принадлежит канадской компании i4i [3]

В 1982 году Microsoft запустила на рынок первый электронный табличный процессор

Multiplan который был очень популярен на CPM системах но на MS-DOS системах он

уступал Lotus 1-2-3 Первая версия Excel предназначалась для Mac и была выпущена в

1985 году а первая версия для Windows была выпущена в ноябре 1987 года Lotus не

торопилась выпускать 1-2-3 под Windows и Excel с 1988 года начала обходить по

продажам 1-2-3 что в конечном итоге помогло Microsoft достичь позиций ведущего

разработчика программного обеспечения Microsoft укрепляла свое преимущество с

выпуском каждой новой версии что имело место примерно каждые два года Текущая

версия для платформы Windows mdash Excel 12 также известная как Microsoft Office Excel

2007 Текущая версия для платформы Mac OS X mdash Microsoft Excel 2008

В начале своего пути Excel стал причиной иска о товарном знаке от другой компании уже

продававшей пакет программ под названием laquoExcelraquo В результате спора Microsoft был

обязана использовать название laquoMicrosoft Excelraquo во всех своих официальных пресс-

релизах и юридических документах Однако со временем эта практика была позабыта и

Microsoft окончательно устранила проблему приобретя товарный знак другой программы

Microsoft также решила использовать буквы XL как сокращенное название программы

иконка Windows-программы состоит из стилизованного изображения этих двух букв а

расширение файлов по умолчанию в Excel mdash xls В сравнении с первыми табличными

процессорами Excel представляет множество новых функций пользовательского

интерфейса но суть остается прежней как и в программе-родоначальнике VisiCalc

ячейки расставляются в строки и столбцы и могут содержать данные или формулы с

относительными или абсолютными ссылками на другие клетки

Excel был первым табличным процессором позволявшим пользователю менять внешний

вид таблицы (шрифты символы и внешний вид ячеек) Он также первым представил

метод умного пересчета ячеек когда обновляются только те ячейки которые зависят от

- 17 -

измененных ячеек (раньше табличные процессоры либо постоянно пересчитывали все

ячейки или ждали команды пользователя)

Будучи впервые объединенными в Microsoft Office в 1993 году Microsoft Word и Microsoft

PowerPoint получили новый графический интерфейс для соответствия Excel главного

стимула модернизации ПК в то время

Начиная с 1993 года в состав Excel входит Visual Basic для приложений (VBA) язык

программирования основанный на Visual Basic позволяющий автоматизировать задачи

Excel VBA является мощным дополнением к приложению и в более поздних версиях

Excel доступна полнофункциональная интегрированная среда разработки Можно создать

VBA-код повторяющий действия пользователя и таким образом автоматизировать

простые задачи VBA позволяет создавать формы для общения с пользователем Язык

поддерживает использование (но не создание) DLL от ActiveX более поздние версии

позволяют использовать элементы объектно-ориентированного программирования

Функциональность VBA делала Excel легкой мишенью для макровирусов И это было

серьезной проблемой до тех пор пока антивирусные продукты не научились

обнаруживать их Фирма Microsoft с опозданием приняв меры для уменьшения риска

добавила возможность выбора режима безопасности

Идея PowerPoint появилась у Боба Гаскинса (Bob Gaskins) студента университета Беркли

который решил что наступает век графических интерактивных материалов В 1984 году

Гаскинс присоединился к провальной компании Forethought и нанял разработчика

Денниса Остина (Dennis Austin) Боб и Деннис объединили усилия и создали программу

Presenter Деннис создал оригинальную версию программы с Томом Рудкиным (Tom

Rudkin) Позже Боб решил сменить имя на PowerPoint которое и стало названием

конечного продукта

В 1987 году вышел PowerPoint 10 для Apple Macintosh Он работал в черно-белом цвете

Вскоре появились цветные Macintosh и новая версия PowerPoint не заставила себя ждать

Программное руководство с первой редакцией было уникально Это была книга синего

цвета в твердом переплете Компания Forethought считала что это лучше чем куча

исполняемых файлов помощи на компьютере и инструкций в электронном виде Но

обновление инструкции было необоснованно дорого Идея с подобными книгами была

вскоре заброшена

Позже в 1987 году Forethought и ее продукт были куплены Microsoft за 14 млн $ В 1990

году вышла версия для Windows C 1990 года PowerPoint стал стандартом в наборе

программ Microsoft Office

В 2002 году вышла версия PowerPoint которая не только была включена в пакет Microsoft

Office XP но также распространялась как отдельный продукт В нем появились такие

функции как сравнение и смешение изменений в презентации возможность задавать пути

анимации для индивидуальных форм создание пирамидальных радиальных и целевых

диаграмм а также кругов Эйлера панель задач для просмотра и выбора объектов буфера

обмена защита презентации паролем автоматическая генерация фотоальбома а также

―умные теги для быстрого выбора формата текста скопированного в презентацию

Microsoft PowerPoint 2003 не сильно отличается от предшественника Он увеличивает

эффективность работы в группе и теперь имеет возможность создания ―Пакета для CD

- 18 -

который легко позволяет скопировать презентацию с мультимедийным содержанием и

просмотрщик на компакт диск

Текущая версия Power Point 2007 привносит основные изменения в интерфейс программы

и увеличивает графические возможности

PowerPoint является частью Microsoft Office Это позволило PowerPoint стать наиболее

распространенной во всем мире программой для создания презентаций Файлы

презентаций PowerPoint часто пересылаются пользователями программы на другие

компьютеры что означает необходимую совместимость с ними программ конкурентов

Однако поскольку Power Point имеет возможность подключения элементов других

приложений через OLE некоторые презентации становятся сильно привязанными к

платформе Windows что делает невозможным открытие данных файлов например в

версии для Mac OS Это привело к переходу на открытые стандарты такие как PDF и

OASIS OpenDocument

Глава 4 АЛГОРИТМИЗАЦИЯ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

41 Структурный подход к разработке алгоритмов и программ

42 Основные структуры и операторы VBA

43 Примеры на VBA

- 19 -

Глава 5ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ

Компьютерные сети

Понятие компьютерной сети

Компьютерная сеть (Computer Network) ndash это множество компьютеров соединенных

линиями связи и работающих под управлением специального программного обеспечения

Под линией связи обычно понимают совокупность технических устройств и

физической среды обеспечивающих передачу сигналов от передатчика к приемнику В

реальной жизни примерами линий связи могут служить участки кабеля и усилители

обеспечивающие передачу сигналов между коммутаторами телефонной сети На основе

линий связи строятся каналы связи

Каналом связи обычно называют систему технических устройств и линий связи

обеспечивающую передачу информации между абонентами Соотношение между

понятиями канал и линия описывается следующим образом канал связи может

включать в себя несколько разнородных линий связи а одна линия связи может

использоваться несколькими каналами

Главной целью объединения компьютеров в сеть является предоставление пользователям

возможности доступа к различным информационным ресурсам (например документам

программам базам данных и тд) распределенным по этим компьютерам и их

совместного использования

Важной характеристикой любой компьютерной сети является широта территории

которую она охватывает Широта охвата определятся взаимной удаленностью

компьютеров составляющих сеть и следовательно влияет на технологические решения

выбираемые при построении сети Классически выделяют два типа сетей локальные сети

и глобальные сети

К локальным сетям (Local Area Network LAN) обычно относят сети компьютеры

которых сосредоточены на относительно небольших территориях (как правило в радиусе

до 1-2 км) Классическим примером локальных сетей является сеть одного предприятия

расположенного в одном или нескольких стоящих рядом зданиях Небольшой размер

локальных сетей позволяет использовать для их построения достаточно дорогие и

высококачественные технологии что обеспечивает высокую скорость обмена

информацией между компьютерами

Глобальные сети (Wide Area Network WAN) ndash это сети предназначенные для

объединения отдельных компьютеров и локальных сетей расположенных на

значительном удалении (сотни и тысячи километров) друг от друга Поскольку

организация специализированных высококачественных каналов связи большой

протяженности является достаточно дорогой то в глобальных сетях нередко

используются уже существующие и изначально не предназначенные для построения

компьютерных сетей линии (например телефонные или телеграфные) В связи с этим

скорость передачи данных в таких сетях существенно ниже чем в локальных

Независимо от того какую территорию покрывает сеть какие технологические решения

лежат в основе ее организации существуют общие принципы сетевого взаимодействия

которым должно подчиняться функционирование сети Именно выработка таких общих

- 20 -

принципов способствовала в свое время появлению Интернет (Internet) как объединенной

сети (иногда даже используется термин гиперсеть) собравшей в своем составе

локальные городские и глобальные сети всей планеты

Модель сетевого взаимодействия

В 1984 году Международной Организацией по Стандартизации (International Standard

Organization ISO) была разработана модель взаимодействия открытых систем (Open

Systems Interconnection OSI) Модель представляет собой международный стандарт для

проектирования сетевых коммуникаций и предполагает уровневый подход к построению

сетей Каждый уровень модели обслуживает различные этапы процесса взаимодействия

Посредством деления на уровни сетевая модель OSI упрощает совместную работу

оборудования и программного обеспечения Модель OSI разделяет сетевые функции на

семь уровней прикладной уровень представления сессионный транспортный сетевой

канальный и физический

Физический уровень (Physical layer) определяет способ физического соединения

компьютеров в сети Функциями средств относящихся к данному уровню являются

побитовое преобразование цифровых данных в сигналы передаваемые по физической

среде (например по кабелю) а также собственно передача сигналов

Канальный уровень(Data Link layer) отвечает за организацию передачи данных между

абонентами через физический уровень поэтому на данном уровне предусмотрены

средства адресации позволяющие однозначно идентифицировать отправителя и

получателя во всем множестве абонентов подключенных к обще линии связи В функции

данного уровня также входит упорядочивание передачи с целью параллельного

использования одной линии связи несколькими парами абонентов Кроме того средства

канального уровня обеспечивают проверку ошибок которые могут возникать при

передаче данных физическим уровнем

Сетевой уровень(Network layer) обеспечивает доставку данных между компьютерами

сети представляющей собой объединение различных физических сетей Данный уровень

предполагает наличие средств логической адресации позволяющих однозначно

- 21 -

идентифицировать компьютер в объединенной сети Одной из главных функций

выполняемых средствами данного уровня является целенаправленная передача данных

конкретному получателю

Транспортный уровень(Transport layer) реализует передачу данных между двумя

программами функционирующими на разных компьютерах обеспечивая при этом

отсутствие потерь и дублирования информации которые могут возникать в результате

ошибок передачи нижних уровней В случае если данные передаваемые через

транспортный уровень подвергаются фрагментации то средства данного уровня

гарантируют сборку фрагментов в правильном порядке

Сессионный (или сеансовый) уровень (Session layer) позволяет двум программам

поддерживать продолжительное взаимодействие по сети называемое сессией (session)

или сеансом Этот уровень управляет установлением сеанса обменом информацией и

завершением сеанса Он также отвечает за идентификацию позволяя тем самым только

определенным абонентам принимать участие в сеансе и обеспечивает работу служб

безопасности с целью упорядочивания доступа к информации сессии

Уровень представления(Presentation layer) осуществляет промежуточное

преобразование данных исходящего сообщения в общий формат который предусмотрен

средствами нижних уровней а также обратное преобразование входящих данных из

общего формата в формат понятный получающей программе

Основные принципы уровневого взаимодействия

При уровневой организации процесса взаимодействия должны соблюдаться следующие

требования

компоненты одного уровня одной системы могут взаимодействовать с

компонентами только того же уровня другой системы

в рамках одной системы компоненты какого-либо уровня могут взаимодействовать

только с компонентами смежных (вышележащего и нижележащего) уровней

Набор правил определяющих порядок взаимодействия средств относящихся к одному и

тому же уровню и функционирующих в разных системах называется протоколом

(protocol) Правила взаимодействия между собой средств относящихся к смежным

уровням и функционирующих в одной системе называются интерфейсом (interface)

Функции физического уровня

Физический уровень определяет способ физического соединения компьютеров в сети

Основными функциями средств относящихся к данному уровню является побитовое

преобразование цифровых данных в сигналы среды передачи а также собственно

передача сигналов по физической среде

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно распространение

информационных сигналов в виде электрических световых и тп импульсов В настоящее

время выделяют два основных типа физических соединений соединения с помощью

кабеля и беспроводные соединения

- 22 -

Кабель (cable) используемый для построения компьютерных сетей представляет собой

сложную конструкцию состоящую в общем случае из проводников изолирующих и

экранирующих слоев В современных сетях используются три типа кабеля

Каждый тип кабеля отличается от других внутренним устройством и обладает целым

набором технических характеристик влияющих на основные потребительские параметры

сетей

Тип кабеля Характеристика

Максимальное

расстояние передачи

Максимальная

скорость передачи

Коаксиальный

кабель 185 ndash 500 м 10 Мбитс

Витая пара 30 ndash 100 м 10 Мбитс ndash 1

Гбитс

Оптоволоконный

кабель 2 км

10 Мбитс ndash 2

Гбитс

Топология сети - способ соединения компьютеров с помощью физической среды

Если сеть состоит всего из двух компьютеров то они соединяются напрямую Такой

способ соединения получил название точка-точка (point-to-point)

Выделяют три базовые топологии Шина (bus) Кольцо (ring) Звезда(star)

laquoШинаraquo - использует один передающий канал на базе коаксиального кабеля называемый

шиной Все сетевые компьютеры присоединяются напрямую к шине На концах кабеля-

шины устанавливаются специальные заглушки - терминаторы (terminator) Они

необходимы для того чтобы погасить сигнал после прохождения по шине К недостаткам

топологии Шина следует отнести следующее

данные предаваемые по кабелю доступны всем подключенным компьютерам

в случае повреждения шины вся сеть перестает функционировать

laquoКольцоraquo - характерно отсутствие конечных точек соединения сеть замкнута образуя

неразрывное кольцо по которому передаются данные Эта топология подразумевает

следующий механизм передачи данные передаются последовательно от одного

компьютера к другому пока не достигнут компьютера-получателя Недостатки топологии

кольцо те же то и у топологии шина

общедоступность данных

неустойчивость к повреждениям кабельной системы

В сети с топологией звезда все компьютеры соединены со специальным устройством

называемым сетевым концентратором или хабом (hub) который выполняет функции

- 23 -

распределения данных Прямые соединения двух компьютеров в сети отсутствуют

Благодаря этому имеется возможность решения проблемы общедоступности данных а

также повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы Однако

функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора

Канальный уровень - отвечает за организацию передачи данных между абонентами

через физический уровень поэтому на данном уровне предусмотрены средства адресации

позволяющие однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к общему физическому каналу В функции данного

уровня также входит упорядочивание передачи с целью обеспечения возможности

параллельного использования одного физического канала несколькими парами абонентов

Средства канального уровня обеспечивают проверку ошибок которые могут возникать

при передаче данных физическим уровнем Большинство функций канального уровня

выполняются устройствами передачи данных (например сетевым адаптером)

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена способ

представления информации а также необходимый набор правил позволяющий

упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток битов Перед

передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с принципом пакетной

коммутации разделяется на порции каждая из которых снабжается заголовком

содержащим некоторую служебную информацию те формируется пакет На канальном

уровне пакет называется кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает протокол Сложность

канальных протоколов во многом определяется сложностью топологии сети Очевидно

что организовать общение всего двух абонентов существенно проще чем упорядочивать

информационный обмен в сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких

пар абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Сетевой уровень - сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

- 24 -

адресации определенных различными технологиями Поэтому для обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого уровня модели OSI Устройства этого уровня предназначенные для объединения сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку составной сети Процесс определения пути прохождения данных через подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название маршрутизаторов

Транспортный уровень Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных

между устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд) Однако

не следует забывать что на одном узле может функционировать параллельно несколько

программ которым требуется доступ к сети Следовательно данные внутри

компьютерной системы должны распределяться между программами Поэтому при

передаче данных по сети недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо

также идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является отсутствие средств

позволяющих передавать большие массивы данных Когда исходные данные превышают

максимально допустимый размер пакета сетевого уровня то эти данные должны быть

разбиты на порции каждая из которых передается в сеть отдельным пакетом Однако

каждый пакет сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других

блок данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и следовательно ndash

обнаружить нарушение целостности общего массива данных Поэтому средства

транспортного уровня обеспечивают отсутствие потерь информации Такой режим

передачи данных получил название гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой функциональную

надстройку над сетевым уровнем и решают две основных задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

- 25 -

обеспечение гарантированной доставки массивов данных произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash UDP

обеспечивающий негарантированную доставку данных между программами и TCP

обеспечивающий гарантированную доставку с установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной уровень - Компоненты четырех

нижних уровней модели OSI (физического канального сетевого и транспортного)

представляют собой механизм обеспечивающий доставку данных любого типа и

произвольного объема между программами работающими на разных узлах составной

сети Однако при работе в сети пользователям требуется не просто пересылка данных а

выполнение каких-либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех возможностей

которые предоставляют средства нижних уровней недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо просмотреть

документ расположенный не на его локальном компьютере а на удаленной машине

Решение такой задачи предполагает как минимум прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса содержащего имя

документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной машины

изменений вносимых в этот документ другими пользователями и уведомление об этом

пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав пользователя на

работу с документом что предполагает дополнительный обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних уровней не имеют

средств позволяющих реализовать специфику такого взаимодействия Поэтому для его

организации требуются дополнительные надстройки над средствами транспортного и

нижележащих уровней В эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный

уровень уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или сессии) при

длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое (виртуальное) соединение между

двумя программами в общем случае функционирующими на разных компьютерах В

простейшем случае установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти необходимых для

приема и передачи данных После окончания передачи данных происходит закрытие

соединения предполагающее освобождение выделенных ресурсов Во многих случаях

этого недостаточно поэтому сессионный уровень предлагает более сложные механизмы

для организации сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая поддержка

осуществляется путем периодической отправки специальных тестовых пакетов при

получении которых участник соединения должен ответить Возвращаясь к

предложенному выше примеру следует отметить что установление соединения при

работе с удаленным документом позволяет один раз перед началом работы проверить

- 26 -

права доступа пользователя а также один раз передать запрос с именем файла В случае

если бы соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог бы

уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться дополнительное

преобразование Например это необходимо в случае если взаимодействующие

программы используют различные способы кодировки текстовой информации или если

для обеспечения защиты информации требуется осуществлять шифрование данных

Обеспечение подобных промежуточных преобразований возложено на уровень

представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными уровнями Они

позволяют осуществлять работу с различными информационными ресурсами сети

например файлами или сообщениями электронной почты Естественно что различные

типы ресурсов в общем случае требуют различных методов обработки и в том числе

методов сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI является

прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции работы с конкретными

информационными объектами В предложенном выше примере (чтение удаленного

документа) к функциям прикладного протокола относятся формирование запросов на

получение документа проверка прав доступа а также определение порядка пересылки

файлов и уведомлений об изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами определяемых

протоколами прикладного уровня часть функций сессионного уровня и уровня

представления может оказаться избыточной поэтому при программной реализации три

верхних уровня обычно объединяются

Модель сетевого взаимодействия

В 1984 году Международной Организацией по Стандартизации (International

Standard Organization ISO) была разработана модель взаимодействия

открытых систем (Open Systems Interconnection OSI) Модель представляет

собой международный стандарт для проектирования сетевых коммуникаций

и предполагает уровневый подход к построению сетей Каждый уровень

модели обслуживает различные этапы процесса взаимодействия

Посредством деления на уровни сетевая модель OSI упрощает совместную

работу оборудования и программного обеспечения Модель OSI разделяет

сетевые функции на семь уровней прикладной уровень представления

сессионный транспортный сетевой канальный и физический

Ниже дается краткая характеристика уровней модели

Физический уровень (Physical layer) определяет способ физического

соединения компьютеров в сети Функциями средств относящихся к

данному уровню являются побитовое преобразование цифровых

- 27 -

данных в сигналы передаваемые по физической среде (например по

кабелю) а также собственно передача сигналов

Канальный уровень(Data Link layer) отвечает за организацию передачи

данных между абонентами через физический уровень поэтому на

данном уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к обще линии связи В функции

данного уровня также входит упорядочивание передачи с целью

параллельного использования одной линии связи несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем

Сетевой уровень(Network layer) обеспечивает доставку данных между

компьютерами сети представляющей собой объединение различных

физических сетей Данный уровень предполагает наличие средств

логической адресации позволяющих однозначно идентифицировать

компьютер в объединенной сети Одной из главных функций

выполняемых средствами данного уровня является целенаправленная

передача данных конкретному получателю

Транспортный уровень(Transport layer) реализует передачу данных

между двумя программами функционирующими на разных

компьютерах обеспечивая при этом отсутствие потерь и дублирования

информации которые могут возникать в результате ошибок передачи

нижних уровней В случае если данные передаваемые через

транспортный уровень подвергаются фрагментации то средства

данного уровня гарантируют сборку фрагментов в правильном

порядке

Сессионный (или сеансовый) уровень (Session layer) позволяет двум

программам поддерживать продолжительное взаимодействие по сети

называемое сессией (session) или сеансом Этот уровень управляет

установлением сеанса обменом информацией и завершением сеанса

Он также отвечает за идентификацию позволяя тем самым только

определенным абонентам принимать участие в сеансе и обеспечивает

работу служб безопасности с целью упорядочивания доступа к

информации сессии

Уровень представления(Presentation layer) осуществляет

промежуточное преобразование данных исходящего сообщения в

общий формат который предусмотрен средствами нижних уровней а

также обратное преобразование входящих данных из общего формата в

формат понятный получающей программе

Прикладной уровень (Application layer) предоставляет

высокоуровневые функции сетевого взаимодействия такие как

передача файлов отправка сообщений по электронной почте и тп

Основные принципы уровневого взаимодействия

- 28 -

При уровневой организации процесса взаимодействия должны соблюдаться

следующие требования

компоненты одного уровня одной системы могут взаимодействовать с

компонентами только того же уровня другой системы

в рамках одной системы компоненты какого-либо уровня могут

взаимодействовать только с компонентами смежных (вышележащего и

нижележащего) уровней

Порядок уровневого взаимодействия

Набор правил определяющих порядок взаимодействия средств относящихся

к одному и тому же уровню и функционирующих в разных системах

называется протоколом (protocol) Правила взаимодействия между собой

средств относящихся к смежным уровням и функционирующих в одной

системе называются интерфейсом (interface)

Практическая реализация уровневого взаимодействия

На практике протоколы и интерфейсы регламентируют технические

требования предъявляемые к программным и аппаратным средствам

Программные (аппаратные) модули предназначенные для обеспечения

практического взаимодействия определяемого тем или иным протоколом

(или интерфейсом) обычно называют реализацией протокола (или

интерфейса)

Хотя различные компоненты относящиеся к различным уровням сетевой

модели формально должны быть функционально независимыми друг от

друга при практической разработке протоколов такая независимость не

всегда выдерживается Это объясняется тем что попытка добиться точного

соответствия эталонной модели может привести к неэффективности работы

программно-аппаратного обеспечения реализующего протокол В настоящее

время наблюдается два типа отклонений возникающих при реализации

уровневого взаимодействия

- 29 -

функции некоторых уровней могут объединяться одним протоколом и

наоборот ndash функции одного уровня могут делиться между различными

протоколами

функционирование протокола какого-либо уровня подразумевают

использование только определенных протоколов нижележащего

уровня

Поэтому разработка практических методов сетевого взаимодействия как

правило подразумевает разработку не отдельных протоколов а целых

наборов протоколов Такие наборы обычно включают в себя протоколы

относящиеся к нескольким смежным уровням эталонной модели OSI и

называются стеками (или семействами наборами) протоколов (protocol stack

protocol suite) Наиболее известным стеком протоколов обеспечивающим

взаимодействие в сети Интернет является стек протоколов TCPIP

Физический уровень

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Среда передачи

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Физический уровень определяет способ физического соединения

компьютеров в сети Основными функциями средств относящихся к

данному уровню является побитовое преобразование цифровых данных в

сигналы среды передачи а также собственно передача сигналов по

физической среде

Кабельные системы

- 30 -

Кабель (cable) используемый для построения компьютерных сетей

представляет собой сложную конструкцию состоящую в общем случае из

проводников изолирующих и экранирующих слоев В современных сетях

используются три типа кабеля

Еще одним важным понятием физического уровня является способ

соединения компьютеров с помощью физической среды или топология сети

Если сеть состоит всего из двух компьютеров то они соединяются

напрямую Такой способ соединения получил название точка-точка

(point-to-point)

Соединение типа точка-точка

Для обеспечения связи более чем двух компьютеров может использоваться

последовательность соединений типа точка-точка

Последовательность соединений типа точка-точка

Однако такой подход требует установки на большую часть компьютеров

нескольких устройств передачи данных

В качестве альтернативного подхода возможно использование более

сложных топологий позволяющих подключить к общей среде сразу

несколько компьютеров имеющих по одному устройству передачи данных

- 31 -

Выделяют три базовые топологии Шина (bus) Кольцо (ring)

Звезда(star)

Топология laquoШинаraquo

Топология Шина

Эта топология использует один передающий канал на базе коаксиального

кабеля называемый шиной Все сетевые компьютеры присоединяются

напрямую к шине На концах кабеля-шины устанавливаются специальные

заглушки - терминаторы (terminator) Они необходимы для того чтобы

погасить сигнал после прохождения по шине К недостаткам топологии

Шина следует отнести следующее

данные предаваемые по кабелю доступны всем подключенным

компьютерам

в случае повреждения шины вся сеть перестает функционировать

Топология laquoКольцоraquo

Топология Кольцо

Для топологии кольцо характерно отсутствие конечных точек соединения

сеть замкнута образуя неразрывное кольцо по которому передаются данные

Эта топология подразумевает следующий механизм передачи данные

передаются последовательно от одного компьютера к другому пока не

- 32 -

достигнут компьютера-получателя Недостатки топологии кольцо те же то

и у топологии шина

общедоступность данных

неустойчивость к повреждениям кабельной системы

Топология laquoЗвездаraquo

Топология Звезда

В сети с топологией звезда все компьютеры соединены со специальным

устройством называемым сетевым концентратором или хабом (hub)

который выполняет функции распределения данных Прямые соединения

двух компьютеров в сети отсутствуют Благодаря этому имеется

возможность решения проблемы общедоступности данных а также

повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы Однако

функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора

Физическая и логическая топологии

Следует отметить что термин топология может употребляться для

обозначения двух понятий ndash физической топологии и логической топологии

Физическая топология ndash способ физического соединения компьютеров с

помощью среды передачи например участками кабеля Логическая

топология определяет маршруты передачи данных в сети Во многих

случаях физическая топология однозначно определяет логическую

топологию Однако существуют такие конфигурации в которых логическая

топология отличается от физической Например сеть с физической

- 33 -

топологией laquoзвездаraquo может иметь логическую топологию laquoшинаraquo ndash все

зависит от того каким образом устроен сетевой концентратор

Кодированиедекодирование данных Как известно данные обрабатываемые

компьютером представляются в двоичном виде - как последовательность

нулей и единиц Однако понятия нуль и единица являются логическими

понятиями обозначающими электрические сигналы отличающиеся друг от

друга физическими параметрами и использующиеся для представления

информации в различных устройствах например оперативной памяти или

центральном процессоре В силу различных технических причин эти сигналы

не всегда могут передаваться по физическим каналам связи Поэтому они

должны быть преобразованы Процесс преобразования сигналов удобных

для компьютера в сигналы которые могут быть переданы по сети

называется физическим кодированием а обратное преобразование -

декодированием

Передача сигналов Информационные сигналы передаются по физическим

линиям связи последовательно В случае если между передающей и

принимающей сторонами параллельно существуют более одной линии

например проложено несколько кабелей то оказывается возможным

одновременно (параллельно) передавать несколько сигналов Если эти

сигналы представляют различные биты передаваемых данных то

повышается скорость информационного обмена Если же сигналы

представляют один и тот же бит данных - то повышается надежность

взаимодействия

Канальный уровень

Канальный уровень отвечает за организацию передачи данных

между абонентами через физический уровень поэтому на данном

уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к общему физическому

каналу В функции данного уровня также входит упорядочивание

передачи с целью обеспечения возможности параллельного

использования одного физического канала несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем Большинство функций канального уровня

выполняются устройствами передачи данных (например сетевым

- 34 -

адаптером)

Метод коммутации

дной из центральных проблем организации передачи данных по физическим

каналам является проблема параллельного использования одного и того же

канала несколькими парами абонентов Методы лежащие в основе ее

решения получили название методов коммутации

В настоящее время существует два основных метода коммутации

коммутация каналов и коммутация пакетов

Коммутация каналов предполагает что перед началом передачи данных

должна быть выполнена процедура установления соединения в результате

которой образуется составной канал По окончании сеанса связи соединение

разрывается и канал освобождается Классическим примером реализации

коммутации каналов является телефонная связь которая подразумевает что

абонент перед началом разговора набирает номер второго абонента в

результате чего последовательное переключение промежуточных

коммутаторов позволяет образовать непрерывный канал связи между

абонентами Коммутация каналов удобна для организации линий связи в

которых подразумевается передача потоков данных постоянной

интенсивности например таких как телефонный разговор в силу чего этот

метод оказывается недостаточно гибким при построении компьютерных

сетей

Метод коммутации пакетов основан на разбиении передаваемых по сети

данных на небольшие порции Каждая такая порция передается по сети

как единое целое и называется пакетом Такой метод является очень

удобным для параллельного использования физического канала несколькими

парами абонентов канал является занятым только во время прохождения

пакета Временные промежутки между передачей пакетов одним абонентам

могут быть использованы другими для отправки собственных пакетов

Пакет обычно состоит из двух частей ndash заголовка содержащего служебные

данные необходимые для управления доставкой пакета и собственно

данных подлежащих передаче Порядок обмена пакетами а также

конкретный состав заголовка пакетов определяется сетевым протоколом

Для именования пакетов различных уровней модели OSI используются

специальные термины Для канального уровня используется термин кадр

для сетевого ndash пакет для транспортного ndash сегмент дейтаграмма для

сессионного и более высоких уровней ndash сообщение

- 35 -

Протоколы канального уровня

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена

способ представления информации а также необходимый набор правил

позволяющий упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток

битов Перед передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с

принципом пакетной коммутации разделяется на порции каждая из

которых снабжается заголовком содержащим некоторую служебную

информацию те формируется пакет На канальном уровне пакет называется

кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает

протокол Сложность канальных протоколов во многом определяется

сложностью топологии сети Очевидно что организовать общение всего двух

абонентов существенно проще чем упорядочивать информационный обмен в

сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких пар

абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Структура кадра данных

Состав заголовка кадра зависит от многих факторов определяемых набором

функций которые выполняет протокол Тем не менее можно выделить ряд

информационных полей которые обычно присутствуют в заголовке кадра К

таким полям относятся

1 Специальные поля предназначенные для определения границ кадров

Поскольку в физической среде могут постоянно проходить какие-либо

сигналы то сетевые адаптеры должны уметь разбираться в том когда

начинается передача кадра и когда она заканчивается

2 Поле предназначенное для определения протокола сетевого уровня

которому необходимо передать данные Так как на одном компьютере могут

функционировать программные модули различных протоколов сетевого

уровня то протоколы канального уровня должны уметь распределять данные

по этим протоколам

3 Контрольная сумма (или специальный код) содержимого кадра которая

позволяет принимающей стороне определить наличие ошибок в принятых

данных Принцип ее использования состоит в следующем Сетевой адаптер

отправляющего компьютера после формирования кадра вычисляет значение

- 36 -

его контрольной суммы на основе содержимого и помещает это значение в

заголовок кадра Принимающая сторона также вычисляет контрольную

сумму полученного кадра и сравнивает его со значением помещенным в

заголовке Если они не совпадают то это означает что во время передачи

кадра произошла ошибка

4 Поля предназначенные для адресации абонентов в сложных сетях

(определены для протоколов применяемых в сетях базирующихся на

сложных топологиях)

Обобщенная структура кадра данных

Протоколы для сетей сложных топологий

Протоколы канального уровня этой группы являются более сложными чем

протоколы использующиеся в сетях типа точка-точка так как вынуждены

выполнять ряд дополнительных функций Основными функциями являются

Выделение на всем множестве компьютеров подключенных к сети

конкретного абонента с которым осуществляется информационный обмен

то есть адресация

Адресация абонентов

Упорядочивание доступа к среде передачи в случае когда нескольким парам

абонентов требуется осуществить передачу данных

Для обеспечения адресации абонентов в заголовке кадров должны

присутствовать следующие поля

- 37 -

1 Адрес отправителя ndash некоторое число (или набор чисел) позволяющее

идентифицировать сетевой адаптер (а следовательно и компьютер в

котором она установлена) который осуществил передачу кадра данных в

сеть Адреса присваиваются сетевым адаптерам на заводе-изготовителе и

как правило не изменяются в дальнейшем хотя большинство современных

адаптеров позволяют перепрограммировать сетевой адрес

Протоколы канального уровня и сетевые технологии

Функциональный состав того или иного протокола канального уровня во

многом определяется особенностями физического уровня например

топологией сети или типом среды передачи Поэтому при проектировании

сетевого взаимодействия используются и разрабатываются комплексные

стандарты получившие название сетевых технологий

Сетевая технология ndash это набор стандартов определяющий минимальный

состав программно-аппаратных средств достаточный для организации

взаимодействия компьютеров в сети Как правило сетевая технология

определяет топологию сети а также протокол канального уровня (формат

кадра порядок обмена кадрами MTU)

В настоящее время существует большое количество сетевых технологий и

соответственно определяемых ими протоколов канального уровня

Рассмотрим для примера одну из наиболее популярных в настоящее время

технологий ndash технологию локальных сетей Ethernet Эта технология

предполагает что сеть должна строиться на основе физических топологий

шина если используется коаксиальный кабель или звезда если

используется кабель типа витая пара В зависимости от типа используемого

кабеля скорость передачи данных лежит в диапазоне 10-100 Мбитс В

качестве метода доступа к среде передачи используется метод обнаружения

коллизий (CSMACD) Что касается формата кадра то в настоящее время на

практике используются 4 варианта кадров Ethernet отличающихся друг от

друга но все они согласуются с общими положениями изложенными ранее

Максимальный объем данных передаваемых в одном кадре (MTU) в

технологии Ethernet не может превышать 1500 байт

Помимо технологии Ethernet в настоящее время в локальных сетях широко

используются технологии AppleTalk FDDI и ATM В глобальных сетях

широко распространены технологии ATM FrameRelay ISDN и SMDS

Существует также ряд технологий использующихся для организации

беспроводных сетей Наиболее популярной технологией применяемой при

- 38 -

построении локальных сетей в настоящее время является технология

RadioEthernet Она предполагает передачу данных в двух УКВ-диапазонах

около 915 МГЦ и 2400-24835 МГц а также в инфракрасном спектре

Диапазон 915 МГц в России и Европе достаточно сильно загружен

средствами связи (сотовая телефония) поэтому он используется как

правило для организации сетей внутри зданий хотя технически позволяет

осуществлять передачу на значительные расстояния Это же ограничение

распространяется и на инфракрасный диапазон поскольку инфракрасные

лучи чувствительны к погодным условиям В зависимости от того какой

режим передачи используется сети RadioEthernet позволяют осуществлять

передачу данных со скоростью 2 - 10 Мбитс Технология RadioEthernet

предполагает построение сетей на базе топологий точка-точка и звезда В

качестве метода доступа используется метод предупреждения коллизий

(CSMACA)

Наряду с кабельными и беспроводными технологиями существуют также

технологии предполагающие комбинирование различных типов физической

среды передачи Обычно они применяются для построения асимметричных

сетей небольшие по объему запросы пользовательских компьютеров

передаются по кабельным каналам например с использованием телефонных

линий и модемов а прием осуществляется через спутниковый радиоканал

Объединение сетей на канальном уровне

Сложные сети в общем случае представляют собой совокупность

нескольких сетей Такие сети называются объединенными сетями

(internetwork)

Необходимость объединения сетей может быть вызвана разными причинами

Прежде всего это - преодоление технических ограничений среды передачи

например максимального расстояния передачи данных Кроме того

построение сети как объединенной позволяет повысить надежность (выход

из строя одной физической среды не влияет на работу остальных) и

обеспечить определенный уровень конфиденциальности (данные

передаваемые между компьютерами одной физической среды оказываются

недоступными компьютерам других сетей)

Для построения объединенных сетей требуются специальные устройства

которые позволяют подключать к себе две (или более) сети Наиболее

простым устройством такого вида является мост (bridge)

Мост

- 39 -

Принцип функционирования моста достаточно прост для подключения сетей

мост располагает несколькими портами с каждым из которых связываются

записи так называемой адресной таблицы содержащей список адресов

компьютеров сетей подключенных к мосту Когда мост получает кадр

данных то он передает его в сеть через порт который согласно таблице

соответствует адресу получателя В случае если адрес получателя не

обнаружен в адресной таблице то кадр передается во все сети Адресные

таблицы мостов как правило строятся на основе анализа кадров

передаваемых по сетям

Функции сетевого уровня

Сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе

различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне

достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети

но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети

с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это

объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

адресации определенных различными технологиями Поэтому для

обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства

представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую

абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых

технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого

уровня модели OSI

Очевидно что устройства этого уровня предназначенные для объединения

сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального

уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную

передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть

определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку

составной сети Процесс определения пути прохождения данных через

подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства

объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название

маршрутизаторов

- 40 -

Протокол IP

Протокол IP (Internet Protocol) входит в состав стека протоколов TCPIP и

является основным протоколом сетевого уровня использующимся в

Интернет и обеспечивающим единую схему логической адресации устройств

в сети и маршрутизацию данных

Для выполнения своих функций протокол определяет свой собственный

формат пакета Основными информационными полями заголовка пакета

являются

IP-адреса отправителя и получателя ndash предназначены для

идентификации отправителя и получателя (см IP-адресация)

Время жизни пакета (Time To Live TTL) - определяет время которое

IP-пакет может находиться в сети и предназначено для

предотвращения захламления сети заблудившимися пакетами

поля предназначенные для фрагментации пакетов (см IP-

фрагментация)

поля предназначенные для управления обработкой пакета (длина

пакета и заголовка контрольная сумма заголовка тип обслуживания и

тд)

Существует 5 классов IP-адресов ndash A B C D E Принадлежность IP-

адреса к тому или иному классу определяется значением первого

октета (W) Ниже показано соответствие значений первого октета и

классов адресов

Класс IP-адреса A B C D E

Диапазон первого

октета

1-

126

128-

191

192-

223

224-

239

240-

247

IP-адреса первых трех классов предназначены для адресации

отдельных узлов и отдельных сетей Такие адреса состоят из двух

частей ndash номера сети и номера узла Такая схема аналогична схеме

почтовых индексов ndash первые три цифры кодируют регион а остальные

ndash почтовое отделение внутри региона

Преимущества двухуровневой схемы очевидны она позволяет во-

первых адресовать целиком отдельные сети внутри составной сети

что необходимо для обеспечения маршрутизации а во-вторых ndash

присваивать узлам номера внутри одной сети независимо от других

сетей Естественно что компьютеры входящие в одну и ту же сеть

должны иметь IP-адреса с одинаковым номером сети

- 41 -

IP-Маршрутизация ndash процесс выбора пути для передачи пакета в сети Под

путем (маршрутом) понимается последовательность маршрутизаторов через

которые проходит пакет по пути к узлу-назначению IP-маршрутизатор ndash это

специальное устройство предназначенное для объединения сетей и

обеспечивающее определение пути прохождения пакетов в составной сети

Маршрутизатор должен иметь несколько IP-адресов с номерами сетей

соответствующими номерам объединяемых сетей

Как известно для разных сетевых технологий значение MTU определенное

для кадров данных может отличаться Поэтому при преобразовании кадров

на маршрутизаторе может потребоваться разделение вложенных в них IP-

пакетов на более мелкие пакеты

Для разделения пакетов на фрагменты модуль IP установленный на

маршрутизаторе создает на его основе некоторое число новых пакетов (в

соответствии с длиной исходного пакета и значения MTU для сети куда

должны быть переданы данные) Для того чтобы данные могли быть

правильно собраны получателем в заголовки новых IP-пакетов помещается

специальный числовой идентификатор позволяющий однозначно

определить что эти пакеты являются фрагментами одного большого пакета

Кроме того в заголовках также указывается положения фрагментов в

исходном пакете что позволяет обеспечить правильный порядок сборки

получателем

Вспомогательные протоколы сетевого уровня стека TCPIP

Главными функциями протокола IP является обеспечение единой схемы

адресации независимой от принципов адресации определяемых сетевыми

технологиями (адресацией канального уровня) а также передача данных по

составной сети (маршрутизация и фрагментация пакетов) Однако для

организации реального взаимодействия этого оказывается недостаточно -

существует еще ряд проблем

Первая проблема состоит в следующем Для того чтобы передать данные по

сети программное обеспечение протокола IP создает пакет и передает его

средствам канального уровня При этом средствам канального уровня для

формирования кадра данных необходим адрес получателя причем не

логический IP-адрес а MAC-адрес который может быть правильно опознан

сетевым адаптером принимающего компьютера Однако спецификацией

протокола IP не предусмотрен механизм позволяющий определять

соответствие между аппаратными и IP-адресами Эту функцию выполняет

вспомогательный протокол сетевого уровня ARP (Address Resolution

Protocol) входящий в семейство протоколов TCPIP

- 42 -

Другая серьезная проблема состоит в том что если при обработке IP-пакета

на маршрутизаторе возникли какие-то проблемы например истекло время

жизни пакета то отправитель о них не узнает поскольку механизм

обратной связи также не предусмотрен спецификацией протокола IP Для

решения этой проблемы используется специальный протокол сетевого

уровня ICMP (Internet Control Message Protocol) входящий в стек протоколов

TCPIP и обеспечивающий передачу управляющей информации и

информации об ошибках

В семействе протоколов TCPIP предусмотрен также ряд других

вспомогательных протоколов например протоколы динамической

маршрутизации обеспечивающие обмен информацией между

маршрутизаторами с целью автоматизации построения таблиц

маршрутизации

Транспортный уровень

Функции транспортного уровня

Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных между

устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд)

Однако не следует забывать что на одном узле может функционировать

параллельно несколько программ которым требуется доступ к сети

Следовательно данные внутри компьютерной системы должны

распределяться между программами Поэтому при передаче данных по сети

недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо также

идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является

отсутствие средств позволяющих передавать большие массивы данных

Когда исходные данные превышают максимально допустимый размер пакета

сетевого уровня то эти данные должны быть разбиты на порции каждая из

которых передается в сеть отдельным пакетом Однако каждый пакет

сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других блок

данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и

следовательно ndash обнаружить нарушение целостности общего массива

данных Поэтому средства транспортного уровня обеспечивают отсутствие

потерь информации Такой режим передачи данных получил название

гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой

- 43 -

функциональную надстройку над сетевым уровнем и решают две основных

задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

обеспечение гарантированной доставки массивов данных

произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash

UDP обеспечивающий негарантированную доставку данных между

программами и TCP обеспечивающий гарантированную доставку с

установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной

уровень

Компоненты четырех нижних уровней модели OSI (физического канального

сетевого и транспортного) представляют собой механизм обеспечивающий

доставку данных любого типа и произвольного объема между программами

работающими на разных узлах составной сети Однако при работе в сети

пользователям требуется не просто пересылка данных а выполнение каких-

либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех

возможностей которые предоставляют средства нижних уровней

недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо

просмотреть документ расположенный не на его локальном компьютере а

на удаленной машине Решение такой задачи предполагает как минимум

прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса

содержащего имя документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного

компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной

машины изменений вносимых в этот документ другими пользователями и

уведомление об этом пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав

пользователя на работу с документом что предполагает дополнительный

- 44 -

обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних

уровней не имеют средств позволяющих реализовать специфику такого

взаимодействия Поэтому для его организации требуются дополнительные

надстройки над средствами транспортного и нижележащих уровней В

эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный уровень

уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или

сессии) при длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое

(виртуальное) соединение между двумя программами в общем случае

функционирующими на разных компьютерах В простейшем случае

установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти

необходимых для приема и передачи данных После окончания передачи

данных происходит закрытие соединения предполагающее освобождение

выделенных ресурсов Во многих случаях этого недостаточно поэтому

сессионный уровень предлагает более сложные механизмы для организации

сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая

поддержка осуществляется путем периодической отправки специальных

тестовых пакетов при получении которых участник соединения должен

ответить Возвращаясь к предложенному выше примеру следует отметить

что установление соединения при работе с удаленным документом позволяет

один раз перед началом работы проверить права доступа пользователя а

также один раз передать запрос с именем файла В случае если бы

соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог

бы уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться

дополнительное преобразование Например это необходимо в случае если

взаимодействующие программы используют различные способы кодировки

текстовой информации или если для обеспечения защиты информации

требуется осуществлять шифрование данных Обеспечение подобных

промежуточных преобразований возложено на уровень представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными

уровнями Они позволяют осуществлять работу с различными

информационными ресурсами сети например файлами или сообщениями

электронной почты Естественно что различные типы ресурсов в общем

случае требуют различных методов обработки и в том числе методов

сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI

- 45 -

является прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции

работы с конкретными информационными объектами В предложенном выше

примере (чтение удаленного документа) к функциям прикладного протокола

относятся формирование запросов на получение документа проверка прав

доступа а также определение порядка пересылки файлов и уведомлений об

изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами

определяемых протоколами прикладного уровня часть функций сессионного

уровня и уровня представления может оказаться избыточной поэтому при

программной реализации три верхних уровня обычно объединяются

Page 11: - 3 - ВВЕДЕНИЕicm.muctr.ru/study/computers/inf001.pdf · 2016-08-25 · - 7 - А) Количество информации как мера уменьшения неопределенности

- 13 -

Т

Основы построения ЭВМ

bull Принципы функционирования

универсальных вычислительных

устройств

bull 1 Принцип программного управления

bull 2 Принцип однородности памяти

bull 3 Принцип адресности

Поколения ЭВМ

- 14 -

Языки

сверхвысокого

Уровня

Сенсорные

Устройства

Оптические

диски

ДоскаСверхбольшие

Интегральные

схемы

90-нв5

Языки высокого

уровня

Интерактивные

устройства

ВинчестерыСтолБольшие

интеграль

ные

схемы

(БИС)

70ndash804

Алгоритмические

языки

ДисплеиМагнитные

диски

ШкафИнтегральные

схемы (ИС)

60ndash703

Автокоды

(ассемблер)

ТелетайпыМагнитные

ленты

КомнатаТранзисторы50ndash602

Машинные

языки

ПерфораторыМагнитный

барабан

Машинный

зал

Лампы40ndash501

ЯзыкиInoutНакопителиГабаритыЭлементыГодыПоколение

Глава 3 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

31 Развитие программного обеспечения

32Состав Microsoft Office

33 История языков программирования

Microsoft Word (часто mdash MS Word WinWord или просто Word) mdash это текстовый

процессор предназначенный для создания просмотра и редактирования текстовых

документов с локальным применением простейших форм таблично-матричных

алгоритмов Текстовый процессор выпускается корпорацией Microsoft в составе

пакета Microsoft Office Первая версия была написана Ричардом Броди (Richard

Brodie) для IBM PC использующих DOS в 1983 году Позднее выпускались версии

для Apple Macintosh (1984) SCO UNIX и Microsoft Windows (1989)

Microsoft Word многим обязан Bravo mdash текстовому процессору с оригинальным

графическим интерфейсом разработанному в исследовательском центре laquoXerox

PARCraquo Создатель Bravo Чарльз Симони (Charles Simonyi) покинул PARC в 1981

году Тем же летом Симони переманил Броди с которым вместе работал над Bravo

Первый выпуск Word для MS-DOS состоялся в конце 1983 года Он был плохо принят

рынком продажи снижало наличие конкурирующего продукта mdash WordPerfect

Однако версия для Макинтоша выпущенная в 1985 году получила широкое

распространение Через два года laquoWord 301 для Macintoshraquo усилил позиции (версия 30

изобиловала ошибками и быстро была заменена) Как и прочее программное обеспечение

для Макинтоша Word был полностью WYSIWYG-редактором (принцип laquoWhat You See Is

What You Getraquo mdash laquoполучаю то что вижуraquo)

- 15 -

Хотя MS-DOS и являлась текстовой операционной системой лишѐнной графической

оболочки Word для DOS был первым текстовым процессором для IBM PC который был

способен отображать разметку текста например полужирный или курсивный текст в

процессе редактирования Однако он всѐ же не являлся в полном смысле WYSIWYG-

редактором Другие же текстовые процессоры такие как WordStar и WordPerfect

использовали простой текстовый экран с кодами разметки иногда текст был цветным

Однако поскольку в большинстве программного обеспечения под DOS применялись

собственные труднозапоминаемые комбинации laquoгорячих клавишraquo для каждой команды

(например в Wordrsquoе для DOS сохранение файла выполнялось по комбинации ESC-T-S) и

большинство секретарей умели пользоваться только WordPerfect компании весьма

неохотно переходили на конкурирующие с ним продукты имеющие сравнительно

небольшие преимущества

Первая версия Word для Windows выпущенная в 1989 году продавалась по цене 500

долларов США Она демонстрировала выбранный компанией Майкрософт путь развития

как и сама Windows она многое взяла от Macintosh и использовала стандартные

клавиатурные сокращения (например CTRL-S для сохранения файла) После выпуска в

следующем году Windows 30 продажи поползли вверх (Word 10 гораздо лучше работал с

Windows 30 чем с более старыми версиями Windows386 и Windows286) главный

конкурент mdash WordPerfect mdash не смог выпустить рабочую версию под Windows что

оказалось для него смертельной ошибкой Версия 20 утвердила WinWord на позиции

лидера рынка

У Word для Macintosh никогда не было серьѐзных конкурентов даже несмотря на наличие

программ вроде Nisus предоставлявшую возможность выделения нескольких несвязных

кусков текста (появившуюся только в Word 2002 из Office XP) и несмотря на мнение

многих пользователей об отсутствии кардинальных различий между версиями 301

выпущенной в 1987 году и версией 50 выпущенной в 1991 Однако версия 60 для

Macintosh вышедшая в 1994 году была многими воспринята довольно скептически Это

была первая версия без значительных отличий в коде ядра между версиями под Windows и

под Mac Версия под Windows следовавшая за 20 была пронумерована как 60 для

координации названия версий под разные платформы

Последовавшие версии добавляли возможности выходящие за рамки простого текстового

процессора Инструменты рисования позволяли выполнять примитивные операции

вѐрстки такие как добавление графики в документ хотя естественно

специализированные программы для вѐрстки лучше справляются с этими задачами

Внедрение объектов сравнение версий документа мультиязычная поддержка и многие

другие возможности были добавлены за последовавшие несколько лет

Microsoft Word является наиболее популярным из используемых в данный момент

текстовых процессоров что сделало его бинарный формат документа стандартом де-

факто и многие конкурирующие программы имеют поддержку совместимости с данным

форматом Расширение laquodocraquo на платформе IBM PC стало синонимом двоичного формата

Word 97mdash2000 Фильтры экспорта и импорта в данный формат присутствуют в

большинстве текстовых процессоровФормат документа разных версий Word меняется

различия бывают довольно тонкими Форматирование нормально выглядящее в

последней версии может не отображаться в старых версиях программы однако есть

ограниченная возможность сохранения документа с потерей части форматирования для

открытия в старых версиях продукта Последняя версия MS Word 2007 использует по

умолчанию формат основанный на XML - Microsoft Office Open XML Спецификация

- 16 -

форматов файлов Word 97-2007 были опубликован Microsoft в 2008 году[1][2]

Ранее

большая часть информации нужной для работы с данным форматом добывалась

посредством обратного инжиниринга поскольку основная еѐ часть отсутствовала в

открытом доступе или была доступна лишь ограниченному числу партнеров и

контролирующих организаций

Как и прочие приложения из Microsoft Office Word может расширять свои возможности

посредством использования встроенного макроязыка (сначала использовался WordBasic с

версии Word 97 применяется VBA mdash Visual Basic для приложений) Однако это

предоставляет широкие возможности для написания встраиваемых в документы вирусов

(так называемые laquoмакровирусыraquo) Наиболее ярким примером была эпидемия червя

Melissa В связи с этим многие считают разумной рекомендацию всегда выставлять

наивысший уровень настроек безопасности при использовании Word (Меню

laquoToolsgtMacrogtSecurityraquo laquoСервисgtМакросgtБезопасностьhellipraquo в локализованных русских

версиях) Также нелишним будет использовать антивирусное программное обеспечение

Первым вирусом заражавшим документы Microsoft Word был DMV созданный в декабре

1994 года Дж МакНамарой для демонстрации возможности создания макровирусов

Первым же вирусом попавшим в дикую природу и вызвавшим первую в мире

эпидемию макровирусов (это произошло в июле-августе 1995 г) был Concept

12 августа 2009 года суд штата Техас запретил продажу программы Word на территории

США в связи с тем что Microsoft незаконно использует метод чтения XML-файлов

патент на который принадлежит канадской компании i4i [3]

В 1982 году Microsoft запустила на рынок первый электронный табличный процессор

Multiplan который был очень популярен на CPM системах но на MS-DOS системах он

уступал Lotus 1-2-3 Первая версия Excel предназначалась для Mac и была выпущена в

1985 году а первая версия для Windows была выпущена в ноябре 1987 года Lotus не

торопилась выпускать 1-2-3 под Windows и Excel с 1988 года начала обходить по

продажам 1-2-3 что в конечном итоге помогло Microsoft достичь позиций ведущего

разработчика программного обеспечения Microsoft укрепляла свое преимущество с

выпуском каждой новой версии что имело место примерно каждые два года Текущая

версия для платформы Windows mdash Excel 12 также известная как Microsoft Office Excel

2007 Текущая версия для платформы Mac OS X mdash Microsoft Excel 2008

В начале своего пути Excel стал причиной иска о товарном знаке от другой компании уже

продававшей пакет программ под названием laquoExcelraquo В результате спора Microsoft был

обязана использовать название laquoMicrosoft Excelraquo во всех своих официальных пресс-

релизах и юридических документах Однако со временем эта практика была позабыта и

Microsoft окончательно устранила проблему приобретя товарный знак другой программы

Microsoft также решила использовать буквы XL как сокращенное название программы

иконка Windows-программы состоит из стилизованного изображения этих двух букв а

расширение файлов по умолчанию в Excel mdash xls В сравнении с первыми табличными

процессорами Excel представляет множество новых функций пользовательского

интерфейса но суть остается прежней как и в программе-родоначальнике VisiCalc

ячейки расставляются в строки и столбцы и могут содержать данные или формулы с

относительными или абсолютными ссылками на другие клетки

Excel был первым табличным процессором позволявшим пользователю менять внешний

вид таблицы (шрифты символы и внешний вид ячеек) Он также первым представил

метод умного пересчета ячеек когда обновляются только те ячейки которые зависят от

- 17 -

измененных ячеек (раньше табличные процессоры либо постоянно пересчитывали все

ячейки или ждали команды пользователя)

Будучи впервые объединенными в Microsoft Office в 1993 году Microsoft Word и Microsoft

PowerPoint получили новый графический интерфейс для соответствия Excel главного

стимула модернизации ПК в то время

Начиная с 1993 года в состав Excel входит Visual Basic для приложений (VBA) язык

программирования основанный на Visual Basic позволяющий автоматизировать задачи

Excel VBA является мощным дополнением к приложению и в более поздних версиях

Excel доступна полнофункциональная интегрированная среда разработки Можно создать

VBA-код повторяющий действия пользователя и таким образом автоматизировать

простые задачи VBA позволяет создавать формы для общения с пользователем Язык

поддерживает использование (но не создание) DLL от ActiveX более поздние версии

позволяют использовать элементы объектно-ориентированного программирования

Функциональность VBA делала Excel легкой мишенью для макровирусов И это было

серьезной проблемой до тех пор пока антивирусные продукты не научились

обнаруживать их Фирма Microsoft с опозданием приняв меры для уменьшения риска

добавила возможность выбора режима безопасности

Идея PowerPoint появилась у Боба Гаскинса (Bob Gaskins) студента университета Беркли

который решил что наступает век графических интерактивных материалов В 1984 году

Гаскинс присоединился к провальной компании Forethought и нанял разработчика

Денниса Остина (Dennis Austin) Боб и Деннис объединили усилия и создали программу

Presenter Деннис создал оригинальную версию программы с Томом Рудкиным (Tom

Rudkin) Позже Боб решил сменить имя на PowerPoint которое и стало названием

конечного продукта

В 1987 году вышел PowerPoint 10 для Apple Macintosh Он работал в черно-белом цвете

Вскоре появились цветные Macintosh и новая версия PowerPoint не заставила себя ждать

Программное руководство с первой редакцией было уникально Это была книга синего

цвета в твердом переплете Компания Forethought считала что это лучше чем куча

исполняемых файлов помощи на компьютере и инструкций в электронном виде Но

обновление инструкции было необоснованно дорого Идея с подобными книгами была

вскоре заброшена

Позже в 1987 году Forethought и ее продукт были куплены Microsoft за 14 млн $ В 1990

году вышла версия для Windows C 1990 года PowerPoint стал стандартом в наборе

программ Microsoft Office

В 2002 году вышла версия PowerPoint которая не только была включена в пакет Microsoft

Office XP но также распространялась как отдельный продукт В нем появились такие

функции как сравнение и смешение изменений в презентации возможность задавать пути

анимации для индивидуальных форм создание пирамидальных радиальных и целевых

диаграмм а также кругов Эйлера панель задач для просмотра и выбора объектов буфера

обмена защита презентации паролем автоматическая генерация фотоальбома а также

―умные теги для быстрого выбора формата текста скопированного в презентацию

Microsoft PowerPoint 2003 не сильно отличается от предшественника Он увеличивает

эффективность работы в группе и теперь имеет возможность создания ―Пакета для CD

- 18 -

который легко позволяет скопировать презентацию с мультимедийным содержанием и

просмотрщик на компакт диск

Текущая версия Power Point 2007 привносит основные изменения в интерфейс программы

и увеличивает графические возможности

PowerPoint является частью Microsoft Office Это позволило PowerPoint стать наиболее

распространенной во всем мире программой для создания презентаций Файлы

презентаций PowerPoint часто пересылаются пользователями программы на другие

компьютеры что означает необходимую совместимость с ними программ конкурентов

Однако поскольку Power Point имеет возможность подключения элементов других

приложений через OLE некоторые презентации становятся сильно привязанными к

платформе Windows что делает невозможным открытие данных файлов например в

версии для Mac OS Это привело к переходу на открытые стандарты такие как PDF и

OASIS OpenDocument

Глава 4 АЛГОРИТМИЗАЦИЯ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

41 Структурный подход к разработке алгоритмов и программ

42 Основные структуры и операторы VBA

43 Примеры на VBA

- 19 -

Глава 5ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ

Компьютерные сети

Понятие компьютерной сети

Компьютерная сеть (Computer Network) ndash это множество компьютеров соединенных

линиями связи и работающих под управлением специального программного обеспечения

Под линией связи обычно понимают совокупность технических устройств и

физической среды обеспечивающих передачу сигналов от передатчика к приемнику В

реальной жизни примерами линий связи могут служить участки кабеля и усилители

обеспечивающие передачу сигналов между коммутаторами телефонной сети На основе

линий связи строятся каналы связи

Каналом связи обычно называют систему технических устройств и линий связи

обеспечивающую передачу информации между абонентами Соотношение между

понятиями канал и линия описывается следующим образом канал связи может

включать в себя несколько разнородных линий связи а одна линия связи может

использоваться несколькими каналами

Главной целью объединения компьютеров в сеть является предоставление пользователям

возможности доступа к различным информационным ресурсам (например документам

программам базам данных и тд) распределенным по этим компьютерам и их

совместного использования

Важной характеристикой любой компьютерной сети является широта территории

которую она охватывает Широта охвата определятся взаимной удаленностью

компьютеров составляющих сеть и следовательно влияет на технологические решения

выбираемые при построении сети Классически выделяют два типа сетей локальные сети

и глобальные сети

К локальным сетям (Local Area Network LAN) обычно относят сети компьютеры

которых сосредоточены на относительно небольших территориях (как правило в радиусе

до 1-2 км) Классическим примером локальных сетей является сеть одного предприятия

расположенного в одном или нескольких стоящих рядом зданиях Небольшой размер

локальных сетей позволяет использовать для их построения достаточно дорогие и

высококачественные технологии что обеспечивает высокую скорость обмена

информацией между компьютерами

Глобальные сети (Wide Area Network WAN) ndash это сети предназначенные для

объединения отдельных компьютеров и локальных сетей расположенных на

значительном удалении (сотни и тысячи километров) друг от друга Поскольку

организация специализированных высококачественных каналов связи большой

протяженности является достаточно дорогой то в глобальных сетях нередко

используются уже существующие и изначально не предназначенные для построения

компьютерных сетей линии (например телефонные или телеграфные) В связи с этим

скорость передачи данных в таких сетях существенно ниже чем в локальных

Независимо от того какую территорию покрывает сеть какие технологические решения

лежат в основе ее организации существуют общие принципы сетевого взаимодействия

которым должно подчиняться функционирование сети Именно выработка таких общих

- 20 -

принципов способствовала в свое время появлению Интернет (Internet) как объединенной

сети (иногда даже используется термин гиперсеть) собравшей в своем составе

локальные городские и глобальные сети всей планеты

Модель сетевого взаимодействия

В 1984 году Международной Организацией по Стандартизации (International Standard

Organization ISO) была разработана модель взаимодействия открытых систем (Open

Systems Interconnection OSI) Модель представляет собой международный стандарт для

проектирования сетевых коммуникаций и предполагает уровневый подход к построению

сетей Каждый уровень модели обслуживает различные этапы процесса взаимодействия

Посредством деления на уровни сетевая модель OSI упрощает совместную работу

оборудования и программного обеспечения Модель OSI разделяет сетевые функции на

семь уровней прикладной уровень представления сессионный транспортный сетевой

канальный и физический

Физический уровень (Physical layer) определяет способ физического соединения

компьютеров в сети Функциями средств относящихся к данному уровню являются

побитовое преобразование цифровых данных в сигналы передаваемые по физической

среде (например по кабелю) а также собственно передача сигналов

Канальный уровень(Data Link layer) отвечает за организацию передачи данных между

абонентами через физический уровень поэтому на данном уровне предусмотрены

средства адресации позволяющие однозначно идентифицировать отправителя и

получателя во всем множестве абонентов подключенных к обще линии связи В функции

данного уровня также входит упорядочивание передачи с целью параллельного

использования одной линии связи несколькими парами абонентов Кроме того средства

канального уровня обеспечивают проверку ошибок которые могут возникать при

передаче данных физическим уровнем

Сетевой уровень(Network layer) обеспечивает доставку данных между компьютерами

сети представляющей собой объединение различных физических сетей Данный уровень

предполагает наличие средств логической адресации позволяющих однозначно

- 21 -

идентифицировать компьютер в объединенной сети Одной из главных функций

выполняемых средствами данного уровня является целенаправленная передача данных

конкретному получателю

Транспортный уровень(Transport layer) реализует передачу данных между двумя

программами функционирующими на разных компьютерах обеспечивая при этом

отсутствие потерь и дублирования информации которые могут возникать в результате

ошибок передачи нижних уровней В случае если данные передаваемые через

транспортный уровень подвергаются фрагментации то средства данного уровня

гарантируют сборку фрагментов в правильном порядке

Сессионный (или сеансовый) уровень (Session layer) позволяет двум программам

поддерживать продолжительное взаимодействие по сети называемое сессией (session)

или сеансом Этот уровень управляет установлением сеанса обменом информацией и

завершением сеанса Он также отвечает за идентификацию позволяя тем самым только

определенным абонентам принимать участие в сеансе и обеспечивает работу служб

безопасности с целью упорядочивания доступа к информации сессии

Уровень представления(Presentation layer) осуществляет промежуточное

преобразование данных исходящего сообщения в общий формат который предусмотрен

средствами нижних уровней а также обратное преобразование входящих данных из

общего формата в формат понятный получающей программе

Основные принципы уровневого взаимодействия

При уровневой организации процесса взаимодействия должны соблюдаться следующие

требования

компоненты одного уровня одной системы могут взаимодействовать с

компонентами только того же уровня другой системы

в рамках одной системы компоненты какого-либо уровня могут взаимодействовать

только с компонентами смежных (вышележащего и нижележащего) уровней

Набор правил определяющих порядок взаимодействия средств относящихся к одному и

тому же уровню и функционирующих в разных системах называется протоколом

(protocol) Правила взаимодействия между собой средств относящихся к смежным

уровням и функционирующих в одной системе называются интерфейсом (interface)

Функции физического уровня

Физический уровень определяет способ физического соединения компьютеров в сети

Основными функциями средств относящихся к данному уровню является побитовое

преобразование цифровых данных в сигналы среды передачи а также собственно

передача сигналов по физической среде

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно распространение

информационных сигналов в виде электрических световых и тп импульсов В настоящее

время выделяют два основных типа физических соединений соединения с помощью

кабеля и беспроводные соединения

- 22 -

Кабель (cable) используемый для построения компьютерных сетей представляет собой

сложную конструкцию состоящую в общем случае из проводников изолирующих и

экранирующих слоев В современных сетях используются три типа кабеля

Каждый тип кабеля отличается от других внутренним устройством и обладает целым

набором технических характеристик влияющих на основные потребительские параметры

сетей

Тип кабеля Характеристика

Максимальное

расстояние передачи

Максимальная

скорость передачи

Коаксиальный

кабель 185 ndash 500 м 10 Мбитс

Витая пара 30 ndash 100 м 10 Мбитс ndash 1

Гбитс

Оптоволоконный

кабель 2 км

10 Мбитс ndash 2

Гбитс

Топология сети - способ соединения компьютеров с помощью физической среды

Если сеть состоит всего из двух компьютеров то они соединяются напрямую Такой

способ соединения получил название точка-точка (point-to-point)

Выделяют три базовые топологии Шина (bus) Кольцо (ring) Звезда(star)

laquoШинаraquo - использует один передающий канал на базе коаксиального кабеля называемый

шиной Все сетевые компьютеры присоединяются напрямую к шине На концах кабеля-

шины устанавливаются специальные заглушки - терминаторы (terminator) Они

необходимы для того чтобы погасить сигнал после прохождения по шине К недостаткам

топологии Шина следует отнести следующее

данные предаваемые по кабелю доступны всем подключенным компьютерам

в случае повреждения шины вся сеть перестает функционировать

laquoКольцоraquo - характерно отсутствие конечных точек соединения сеть замкнута образуя

неразрывное кольцо по которому передаются данные Эта топология подразумевает

следующий механизм передачи данные передаются последовательно от одного

компьютера к другому пока не достигнут компьютера-получателя Недостатки топологии

кольцо те же то и у топологии шина

общедоступность данных

неустойчивость к повреждениям кабельной системы

В сети с топологией звезда все компьютеры соединены со специальным устройством

называемым сетевым концентратором или хабом (hub) который выполняет функции

- 23 -

распределения данных Прямые соединения двух компьютеров в сети отсутствуют

Благодаря этому имеется возможность решения проблемы общедоступности данных а

также повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы Однако

функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора

Канальный уровень - отвечает за организацию передачи данных между абонентами

через физический уровень поэтому на данном уровне предусмотрены средства адресации

позволяющие однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к общему физическому каналу В функции данного

уровня также входит упорядочивание передачи с целью обеспечения возможности

параллельного использования одного физического канала несколькими парами абонентов

Средства канального уровня обеспечивают проверку ошибок которые могут возникать

при передаче данных физическим уровнем Большинство функций канального уровня

выполняются устройствами передачи данных (например сетевым адаптером)

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена способ

представления информации а также необходимый набор правил позволяющий

упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток битов Перед

передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с принципом пакетной

коммутации разделяется на порции каждая из которых снабжается заголовком

содержащим некоторую служебную информацию те формируется пакет На канальном

уровне пакет называется кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает протокол Сложность

канальных протоколов во многом определяется сложностью топологии сети Очевидно

что организовать общение всего двух абонентов существенно проще чем упорядочивать

информационный обмен в сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких

пар абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Сетевой уровень - сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

- 24 -

адресации определенных различными технологиями Поэтому для обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого уровня модели OSI Устройства этого уровня предназначенные для объединения сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку составной сети Процесс определения пути прохождения данных через подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название маршрутизаторов

Транспортный уровень Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных

между устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд) Однако

не следует забывать что на одном узле может функционировать параллельно несколько

программ которым требуется доступ к сети Следовательно данные внутри

компьютерной системы должны распределяться между программами Поэтому при

передаче данных по сети недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо

также идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является отсутствие средств

позволяющих передавать большие массивы данных Когда исходные данные превышают

максимально допустимый размер пакета сетевого уровня то эти данные должны быть

разбиты на порции каждая из которых передается в сеть отдельным пакетом Однако

каждый пакет сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других

блок данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и следовательно ndash

обнаружить нарушение целостности общего массива данных Поэтому средства

транспортного уровня обеспечивают отсутствие потерь информации Такой режим

передачи данных получил название гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой функциональную

надстройку над сетевым уровнем и решают две основных задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

- 25 -

обеспечение гарантированной доставки массивов данных произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash UDP

обеспечивающий негарантированную доставку данных между программами и TCP

обеспечивающий гарантированную доставку с установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной уровень - Компоненты четырех

нижних уровней модели OSI (физического канального сетевого и транспортного)

представляют собой механизм обеспечивающий доставку данных любого типа и

произвольного объема между программами работающими на разных узлах составной

сети Однако при работе в сети пользователям требуется не просто пересылка данных а

выполнение каких-либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех возможностей

которые предоставляют средства нижних уровней недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо просмотреть

документ расположенный не на его локальном компьютере а на удаленной машине

Решение такой задачи предполагает как минимум прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса содержащего имя

документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной машины

изменений вносимых в этот документ другими пользователями и уведомление об этом

пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав пользователя на

работу с документом что предполагает дополнительный обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних уровней не имеют

средств позволяющих реализовать специфику такого взаимодействия Поэтому для его

организации требуются дополнительные надстройки над средствами транспортного и

нижележащих уровней В эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный

уровень уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или сессии) при

длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое (виртуальное) соединение между

двумя программами в общем случае функционирующими на разных компьютерах В

простейшем случае установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти необходимых для

приема и передачи данных После окончания передачи данных происходит закрытие

соединения предполагающее освобождение выделенных ресурсов Во многих случаях

этого недостаточно поэтому сессионный уровень предлагает более сложные механизмы

для организации сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая поддержка

осуществляется путем периодической отправки специальных тестовых пакетов при

получении которых участник соединения должен ответить Возвращаясь к

предложенному выше примеру следует отметить что установление соединения при

работе с удаленным документом позволяет один раз перед началом работы проверить

- 26 -

права доступа пользователя а также один раз передать запрос с именем файла В случае

если бы соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог бы

уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться дополнительное

преобразование Например это необходимо в случае если взаимодействующие

программы используют различные способы кодировки текстовой информации или если

для обеспечения защиты информации требуется осуществлять шифрование данных

Обеспечение подобных промежуточных преобразований возложено на уровень

представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными уровнями Они

позволяют осуществлять работу с различными информационными ресурсами сети

например файлами или сообщениями электронной почты Естественно что различные

типы ресурсов в общем случае требуют различных методов обработки и в том числе

методов сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI является

прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции работы с конкретными

информационными объектами В предложенном выше примере (чтение удаленного

документа) к функциям прикладного протокола относятся формирование запросов на

получение документа проверка прав доступа а также определение порядка пересылки

файлов и уведомлений об изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами определяемых

протоколами прикладного уровня часть функций сессионного уровня и уровня

представления может оказаться избыточной поэтому при программной реализации три

верхних уровня обычно объединяются

Модель сетевого взаимодействия

В 1984 году Международной Организацией по Стандартизации (International

Standard Organization ISO) была разработана модель взаимодействия

открытых систем (Open Systems Interconnection OSI) Модель представляет

собой международный стандарт для проектирования сетевых коммуникаций

и предполагает уровневый подход к построению сетей Каждый уровень

модели обслуживает различные этапы процесса взаимодействия

Посредством деления на уровни сетевая модель OSI упрощает совместную

работу оборудования и программного обеспечения Модель OSI разделяет

сетевые функции на семь уровней прикладной уровень представления

сессионный транспортный сетевой канальный и физический

Ниже дается краткая характеристика уровней модели

Физический уровень (Physical layer) определяет способ физического

соединения компьютеров в сети Функциями средств относящихся к

данному уровню являются побитовое преобразование цифровых

- 27 -

данных в сигналы передаваемые по физической среде (например по

кабелю) а также собственно передача сигналов

Канальный уровень(Data Link layer) отвечает за организацию передачи

данных между абонентами через физический уровень поэтому на

данном уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к обще линии связи В функции

данного уровня также входит упорядочивание передачи с целью

параллельного использования одной линии связи несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем

Сетевой уровень(Network layer) обеспечивает доставку данных между

компьютерами сети представляющей собой объединение различных

физических сетей Данный уровень предполагает наличие средств

логической адресации позволяющих однозначно идентифицировать

компьютер в объединенной сети Одной из главных функций

выполняемых средствами данного уровня является целенаправленная

передача данных конкретному получателю

Транспортный уровень(Transport layer) реализует передачу данных

между двумя программами функционирующими на разных

компьютерах обеспечивая при этом отсутствие потерь и дублирования

информации которые могут возникать в результате ошибок передачи

нижних уровней В случае если данные передаваемые через

транспортный уровень подвергаются фрагментации то средства

данного уровня гарантируют сборку фрагментов в правильном

порядке

Сессионный (или сеансовый) уровень (Session layer) позволяет двум

программам поддерживать продолжительное взаимодействие по сети

называемое сессией (session) или сеансом Этот уровень управляет

установлением сеанса обменом информацией и завершением сеанса

Он также отвечает за идентификацию позволяя тем самым только

определенным абонентам принимать участие в сеансе и обеспечивает

работу служб безопасности с целью упорядочивания доступа к

информации сессии

Уровень представления(Presentation layer) осуществляет

промежуточное преобразование данных исходящего сообщения в

общий формат который предусмотрен средствами нижних уровней а

также обратное преобразование входящих данных из общего формата в

формат понятный получающей программе

Прикладной уровень (Application layer) предоставляет

высокоуровневые функции сетевого взаимодействия такие как

передача файлов отправка сообщений по электронной почте и тп

Основные принципы уровневого взаимодействия

- 28 -

При уровневой организации процесса взаимодействия должны соблюдаться

следующие требования

компоненты одного уровня одной системы могут взаимодействовать с

компонентами только того же уровня другой системы

в рамках одной системы компоненты какого-либо уровня могут

взаимодействовать только с компонентами смежных (вышележащего и

нижележащего) уровней

Порядок уровневого взаимодействия

Набор правил определяющих порядок взаимодействия средств относящихся

к одному и тому же уровню и функционирующих в разных системах

называется протоколом (protocol) Правила взаимодействия между собой

средств относящихся к смежным уровням и функционирующих в одной

системе называются интерфейсом (interface)

Практическая реализация уровневого взаимодействия

На практике протоколы и интерфейсы регламентируют технические

требования предъявляемые к программным и аппаратным средствам

Программные (аппаратные) модули предназначенные для обеспечения

практического взаимодействия определяемого тем или иным протоколом

(или интерфейсом) обычно называют реализацией протокола (или

интерфейса)

Хотя различные компоненты относящиеся к различным уровням сетевой

модели формально должны быть функционально независимыми друг от

друга при практической разработке протоколов такая независимость не

всегда выдерживается Это объясняется тем что попытка добиться точного

соответствия эталонной модели может привести к неэффективности работы

программно-аппаратного обеспечения реализующего протокол В настоящее

время наблюдается два типа отклонений возникающих при реализации

уровневого взаимодействия

- 29 -

функции некоторых уровней могут объединяться одним протоколом и

наоборот ndash функции одного уровня могут делиться между различными

протоколами

функционирование протокола какого-либо уровня подразумевают

использование только определенных протоколов нижележащего

уровня

Поэтому разработка практических методов сетевого взаимодействия как

правило подразумевает разработку не отдельных протоколов а целых

наборов протоколов Такие наборы обычно включают в себя протоколы

относящиеся к нескольким смежным уровням эталонной модели OSI и

называются стеками (или семействами наборами) протоколов (protocol stack

protocol suite) Наиболее известным стеком протоколов обеспечивающим

взаимодействие в сети Интернет является стек протоколов TCPIP

Физический уровень

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Среда передачи

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Физический уровень определяет способ физического соединения

компьютеров в сети Основными функциями средств относящихся к

данному уровню является побитовое преобразование цифровых данных в

сигналы среды передачи а также собственно передача сигналов по

физической среде

Кабельные системы

- 30 -

Кабель (cable) используемый для построения компьютерных сетей

представляет собой сложную конструкцию состоящую в общем случае из

проводников изолирующих и экранирующих слоев В современных сетях

используются три типа кабеля

Еще одним важным понятием физического уровня является способ

соединения компьютеров с помощью физической среды или топология сети

Если сеть состоит всего из двух компьютеров то они соединяются

напрямую Такой способ соединения получил название точка-точка

(point-to-point)

Соединение типа точка-точка

Для обеспечения связи более чем двух компьютеров может использоваться

последовательность соединений типа точка-точка

Последовательность соединений типа точка-точка

Однако такой подход требует установки на большую часть компьютеров

нескольких устройств передачи данных

В качестве альтернативного подхода возможно использование более

сложных топологий позволяющих подключить к общей среде сразу

несколько компьютеров имеющих по одному устройству передачи данных

- 31 -

Выделяют три базовые топологии Шина (bus) Кольцо (ring)

Звезда(star)

Топология laquoШинаraquo

Топология Шина

Эта топология использует один передающий канал на базе коаксиального

кабеля называемый шиной Все сетевые компьютеры присоединяются

напрямую к шине На концах кабеля-шины устанавливаются специальные

заглушки - терминаторы (terminator) Они необходимы для того чтобы

погасить сигнал после прохождения по шине К недостаткам топологии

Шина следует отнести следующее

данные предаваемые по кабелю доступны всем подключенным

компьютерам

в случае повреждения шины вся сеть перестает функционировать

Топология laquoКольцоraquo

Топология Кольцо

Для топологии кольцо характерно отсутствие конечных точек соединения

сеть замкнута образуя неразрывное кольцо по которому передаются данные

Эта топология подразумевает следующий механизм передачи данные

передаются последовательно от одного компьютера к другому пока не

- 32 -

достигнут компьютера-получателя Недостатки топологии кольцо те же то

и у топологии шина

общедоступность данных

неустойчивость к повреждениям кабельной системы

Топология laquoЗвездаraquo

Топология Звезда

В сети с топологией звезда все компьютеры соединены со специальным

устройством называемым сетевым концентратором или хабом (hub)

который выполняет функции распределения данных Прямые соединения

двух компьютеров в сети отсутствуют Благодаря этому имеется

возможность решения проблемы общедоступности данных а также

повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы Однако

функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора

Физическая и логическая топологии

Следует отметить что термин топология может употребляться для

обозначения двух понятий ndash физической топологии и логической топологии

Физическая топология ndash способ физического соединения компьютеров с

помощью среды передачи например участками кабеля Логическая

топология определяет маршруты передачи данных в сети Во многих

случаях физическая топология однозначно определяет логическую

топологию Однако существуют такие конфигурации в которых логическая

топология отличается от физической Например сеть с физической

- 33 -

топологией laquoзвездаraquo может иметь логическую топологию laquoшинаraquo ndash все

зависит от того каким образом устроен сетевой концентратор

Кодированиедекодирование данных Как известно данные обрабатываемые

компьютером представляются в двоичном виде - как последовательность

нулей и единиц Однако понятия нуль и единица являются логическими

понятиями обозначающими электрические сигналы отличающиеся друг от

друга физическими параметрами и использующиеся для представления

информации в различных устройствах например оперативной памяти или

центральном процессоре В силу различных технических причин эти сигналы

не всегда могут передаваться по физическим каналам связи Поэтому они

должны быть преобразованы Процесс преобразования сигналов удобных

для компьютера в сигналы которые могут быть переданы по сети

называется физическим кодированием а обратное преобразование -

декодированием

Передача сигналов Информационные сигналы передаются по физическим

линиям связи последовательно В случае если между передающей и

принимающей сторонами параллельно существуют более одной линии

например проложено несколько кабелей то оказывается возможным

одновременно (параллельно) передавать несколько сигналов Если эти

сигналы представляют различные биты передаваемых данных то

повышается скорость информационного обмена Если же сигналы

представляют один и тот же бит данных - то повышается надежность

взаимодействия

Канальный уровень

Канальный уровень отвечает за организацию передачи данных

между абонентами через физический уровень поэтому на данном

уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к общему физическому

каналу В функции данного уровня также входит упорядочивание

передачи с целью обеспечения возможности параллельного

использования одного физического канала несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем Большинство функций канального уровня

выполняются устройствами передачи данных (например сетевым

- 34 -

адаптером)

Метод коммутации

дной из центральных проблем организации передачи данных по физическим

каналам является проблема параллельного использования одного и того же

канала несколькими парами абонентов Методы лежащие в основе ее

решения получили название методов коммутации

В настоящее время существует два основных метода коммутации

коммутация каналов и коммутация пакетов

Коммутация каналов предполагает что перед началом передачи данных

должна быть выполнена процедура установления соединения в результате

которой образуется составной канал По окончании сеанса связи соединение

разрывается и канал освобождается Классическим примером реализации

коммутации каналов является телефонная связь которая подразумевает что

абонент перед началом разговора набирает номер второго абонента в

результате чего последовательное переключение промежуточных

коммутаторов позволяет образовать непрерывный канал связи между

абонентами Коммутация каналов удобна для организации линий связи в

которых подразумевается передача потоков данных постоянной

интенсивности например таких как телефонный разговор в силу чего этот

метод оказывается недостаточно гибким при построении компьютерных

сетей

Метод коммутации пакетов основан на разбиении передаваемых по сети

данных на небольшие порции Каждая такая порция передается по сети

как единое целое и называется пакетом Такой метод является очень

удобным для параллельного использования физического канала несколькими

парами абонентов канал является занятым только во время прохождения

пакета Временные промежутки между передачей пакетов одним абонентам

могут быть использованы другими для отправки собственных пакетов

Пакет обычно состоит из двух частей ndash заголовка содержащего служебные

данные необходимые для управления доставкой пакета и собственно

данных подлежащих передаче Порядок обмена пакетами а также

конкретный состав заголовка пакетов определяется сетевым протоколом

Для именования пакетов различных уровней модели OSI используются

специальные термины Для канального уровня используется термин кадр

для сетевого ndash пакет для транспортного ndash сегмент дейтаграмма для

сессионного и более высоких уровней ndash сообщение

- 35 -

Протоколы канального уровня

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена

способ представления информации а также необходимый набор правил

позволяющий упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток

битов Перед передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с

принципом пакетной коммутации разделяется на порции каждая из

которых снабжается заголовком содержащим некоторую служебную

информацию те формируется пакет На канальном уровне пакет называется

кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает

протокол Сложность канальных протоколов во многом определяется

сложностью топологии сети Очевидно что организовать общение всего двух

абонентов существенно проще чем упорядочивать информационный обмен в

сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких пар

абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Структура кадра данных

Состав заголовка кадра зависит от многих факторов определяемых набором

функций которые выполняет протокол Тем не менее можно выделить ряд

информационных полей которые обычно присутствуют в заголовке кадра К

таким полям относятся

1 Специальные поля предназначенные для определения границ кадров

Поскольку в физической среде могут постоянно проходить какие-либо

сигналы то сетевые адаптеры должны уметь разбираться в том когда

начинается передача кадра и когда она заканчивается

2 Поле предназначенное для определения протокола сетевого уровня

которому необходимо передать данные Так как на одном компьютере могут

функционировать программные модули различных протоколов сетевого

уровня то протоколы канального уровня должны уметь распределять данные

по этим протоколам

3 Контрольная сумма (или специальный код) содержимого кадра которая

позволяет принимающей стороне определить наличие ошибок в принятых

данных Принцип ее использования состоит в следующем Сетевой адаптер

отправляющего компьютера после формирования кадра вычисляет значение

- 36 -

его контрольной суммы на основе содержимого и помещает это значение в

заголовок кадра Принимающая сторона также вычисляет контрольную

сумму полученного кадра и сравнивает его со значением помещенным в

заголовке Если они не совпадают то это означает что во время передачи

кадра произошла ошибка

4 Поля предназначенные для адресации абонентов в сложных сетях

(определены для протоколов применяемых в сетях базирующихся на

сложных топологиях)

Обобщенная структура кадра данных

Протоколы для сетей сложных топологий

Протоколы канального уровня этой группы являются более сложными чем

протоколы использующиеся в сетях типа точка-точка так как вынуждены

выполнять ряд дополнительных функций Основными функциями являются

Выделение на всем множестве компьютеров подключенных к сети

конкретного абонента с которым осуществляется информационный обмен

то есть адресация

Адресация абонентов

Упорядочивание доступа к среде передачи в случае когда нескольким парам

абонентов требуется осуществить передачу данных

Для обеспечения адресации абонентов в заголовке кадров должны

присутствовать следующие поля

- 37 -

1 Адрес отправителя ndash некоторое число (или набор чисел) позволяющее

идентифицировать сетевой адаптер (а следовательно и компьютер в

котором она установлена) который осуществил передачу кадра данных в

сеть Адреса присваиваются сетевым адаптерам на заводе-изготовителе и

как правило не изменяются в дальнейшем хотя большинство современных

адаптеров позволяют перепрограммировать сетевой адрес

Протоколы канального уровня и сетевые технологии

Функциональный состав того или иного протокола канального уровня во

многом определяется особенностями физического уровня например

топологией сети или типом среды передачи Поэтому при проектировании

сетевого взаимодействия используются и разрабатываются комплексные

стандарты получившие название сетевых технологий

Сетевая технология ndash это набор стандартов определяющий минимальный

состав программно-аппаратных средств достаточный для организации

взаимодействия компьютеров в сети Как правило сетевая технология

определяет топологию сети а также протокол канального уровня (формат

кадра порядок обмена кадрами MTU)

В настоящее время существует большое количество сетевых технологий и

соответственно определяемых ими протоколов канального уровня

Рассмотрим для примера одну из наиболее популярных в настоящее время

технологий ndash технологию локальных сетей Ethernet Эта технология

предполагает что сеть должна строиться на основе физических топологий

шина если используется коаксиальный кабель или звезда если

используется кабель типа витая пара В зависимости от типа используемого

кабеля скорость передачи данных лежит в диапазоне 10-100 Мбитс В

качестве метода доступа к среде передачи используется метод обнаружения

коллизий (CSMACD) Что касается формата кадра то в настоящее время на

практике используются 4 варианта кадров Ethernet отличающихся друг от

друга но все они согласуются с общими положениями изложенными ранее

Максимальный объем данных передаваемых в одном кадре (MTU) в

технологии Ethernet не может превышать 1500 байт

Помимо технологии Ethernet в настоящее время в локальных сетях широко

используются технологии AppleTalk FDDI и ATM В глобальных сетях

широко распространены технологии ATM FrameRelay ISDN и SMDS

Существует также ряд технологий использующихся для организации

беспроводных сетей Наиболее популярной технологией применяемой при

- 38 -

построении локальных сетей в настоящее время является технология

RadioEthernet Она предполагает передачу данных в двух УКВ-диапазонах

около 915 МГЦ и 2400-24835 МГц а также в инфракрасном спектре

Диапазон 915 МГц в России и Европе достаточно сильно загружен

средствами связи (сотовая телефония) поэтому он используется как

правило для организации сетей внутри зданий хотя технически позволяет

осуществлять передачу на значительные расстояния Это же ограничение

распространяется и на инфракрасный диапазон поскольку инфракрасные

лучи чувствительны к погодным условиям В зависимости от того какой

режим передачи используется сети RadioEthernet позволяют осуществлять

передачу данных со скоростью 2 - 10 Мбитс Технология RadioEthernet

предполагает построение сетей на базе топологий точка-точка и звезда В

качестве метода доступа используется метод предупреждения коллизий

(CSMACA)

Наряду с кабельными и беспроводными технологиями существуют также

технологии предполагающие комбинирование различных типов физической

среды передачи Обычно они применяются для построения асимметричных

сетей небольшие по объему запросы пользовательских компьютеров

передаются по кабельным каналам например с использованием телефонных

линий и модемов а прием осуществляется через спутниковый радиоканал

Объединение сетей на канальном уровне

Сложные сети в общем случае представляют собой совокупность

нескольких сетей Такие сети называются объединенными сетями

(internetwork)

Необходимость объединения сетей может быть вызвана разными причинами

Прежде всего это - преодоление технических ограничений среды передачи

например максимального расстояния передачи данных Кроме того

построение сети как объединенной позволяет повысить надежность (выход

из строя одной физической среды не влияет на работу остальных) и

обеспечить определенный уровень конфиденциальности (данные

передаваемые между компьютерами одной физической среды оказываются

недоступными компьютерам других сетей)

Для построения объединенных сетей требуются специальные устройства

которые позволяют подключать к себе две (или более) сети Наиболее

простым устройством такого вида является мост (bridge)

Мост

- 39 -

Принцип функционирования моста достаточно прост для подключения сетей

мост располагает несколькими портами с каждым из которых связываются

записи так называемой адресной таблицы содержащей список адресов

компьютеров сетей подключенных к мосту Когда мост получает кадр

данных то он передает его в сеть через порт который согласно таблице

соответствует адресу получателя В случае если адрес получателя не

обнаружен в адресной таблице то кадр передается во все сети Адресные

таблицы мостов как правило строятся на основе анализа кадров

передаваемых по сетям

Функции сетевого уровня

Сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе

различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне

достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети

но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети

с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это

объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

адресации определенных различными технологиями Поэтому для

обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства

представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую

абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых

технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого

уровня модели OSI

Очевидно что устройства этого уровня предназначенные для объединения

сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального

уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную

передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть

определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку

составной сети Процесс определения пути прохождения данных через

подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства

объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название

маршрутизаторов

- 40 -

Протокол IP

Протокол IP (Internet Protocol) входит в состав стека протоколов TCPIP и

является основным протоколом сетевого уровня использующимся в

Интернет и обеспечивающим единую схему логической адресации устройств

в сети и маршрутизацию данных

Для выполнения своих функций протокол определяет свой собственный

формат пакета Основными информационными полями заголовка пакета

являются

IP-адреса отправителя и получателя ndash предназначены для

идентификации отправителя и получателя (см IP-адресация)

Время жизни пакета (Time To Live TTL) - определяет время которое

IP-пакет может находиться в сети и предназначено для

предотвращения захламления сети заблудившимися пакетами

поля предназначенные для фрагментации пакетов (см IP-

фрагментация)

поля предназначенные для управления обработкой пакета (длина

пакета и заголовка контрольная сумма заголовка тип обслуживания и

тд)

Существует 5 классов IP-адресов ndash A B C D E Принадлежность IP-

адреса к тому или иному классу определяется значением первого

октета (W) Ниже показано соответствие значений первого октета и

классов адресов

Класс IP-адреса A B C D E

Диапазон первого

октета

1-

126

128-

191

192-

223

224-

239

240-

247

IP-адреса первых трех классов предназначены для адресации

отдельных узлов и отдельных сетей Такие адреса состоят из двух

частей ndash номера сети и номера узла Такая схема аналогична схеме

почтовых индексов ndash первые три цифры кодируют регион а остальные

ndash почтовое отделение внутри региона

Преимущества двухуровневой схемы очевидны она позволяет во-

первых адресовать целиком отдельные сети внутри составной сети

что необходимо для обеспечения маршрутизации а во-вторых ndash

присваивать узлам номера внутри одной сети независимо от других

сетей Естественно что компьютеры входящие в одну и ту же сеть

должны иметь IP-адреса с одинаковым номером сети

- 41 -

IP-Маршрутизация ndash процесс выбора пути для передачи пакета в сети Под

путем (маршрутом) понимается последовательность маршрутизаторов через

которые проходит пакет по пути к узлу-назначению IP-маршрутизатор ndash это

специальное устройство предназначенное для объединения сетей и

обеспечивающее определение пути прохождения пакетов в составной сети

Маршрутизатор должен иметь несколько IP-адресов с номерами сетей

соответствующими номерам объединяемых сетей

Как известно для разных сетевых технологий значение MTU определенное

для кадров данных может отличаться Поэтому при преобразовании кадров

на маршрутизаторе может потребоваться разделение вложенных в них IP-

пакетов на более мелкие пакеты

Для разделения пакетов на фрагменты модуль IP установленный на

маршрутизаторе создает на его основе некоторое число новых пакетов (в

соответствии с длиной исходного пакета и значения MTU для сети куда

должны быть переданы данные) Для того чтобы данные могли быть

правильно собраны получателем в заголовки новых IP-пакетов помещается

специальный числовой идентификатор позволяющий однозначно

определить что эти пакеты являются фрагментами одного большого пакета

Кроме того в заголовках также указывается положения фрагментов в

исходном пакете что позволяет обеспечить правильный порядок сборки

получателем

Вспомогательные протоколы сетевого уровня стека TCPIP

Главными функциями протокола IP является обеспечение единой схемы

адресации независимой от принципов адресации определяемых сетевыми

технологиями (адресацией канального уровня) а также передача данных по

составной сети (маршрутизация и фрагментация пакетов) Однако для

организации реального взаимодействия этого оказывается недостаточно -

существует еще ряд проблем

Первая проблема состоит в следующем Для того чтобы передать данные по

сети программное обеспечение протокола IP создает пакет и передает его

средствам канального уровня При этом средствам канального уровня для

формирования кадра данных необходим адрес получателя причем не

логический IP-адрес а MAC-адрес который может быть правильно опознан

сетевым адаптером принимающего компьютера Однако спецификацией

протокола IP не предусмотрен механизм позволяющий определять

соответствие между аппаратными и IP-адресами Эту функцию выполняет

вспомогательный протокол сетевого уровня ARP (Address Resolution

Protocol) входящий в семейство протоколов TCPIP

- 42 -

Другая серьезная проблема состоит в том что если при обработке IP-пакета

на маршрутизаторе возникли какие-то проблемы например истекло время

жизни пакета то отправитель о них не узнает поскольку механизм

обратной связи также не предусмотрен спецификацией протокола IP Для

решения этой проблемы используется специальный протокол сетевого

уровня ICMP (Internet Control Message Protocol) входящий в стек протоколов

TCPIP и обеспечивающий передачу управляющей информации и

информации об ошибках

В семействе протоколов TCPIP предусмотрен также ряд других

вспомогательных протоколов например протоколы динамической

маршрутизации обеспечивающие обмен информацией между

маршрутизаторами с целью автоматизации построения таблиц

маршрутизации

Транспортный уровень

Функции транспортного уровня

Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных между

устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд)

Однако не следует забывать что на одном узле может функционировать

параллельно несколько программ которым требуется доступ к сети

Следовательно данные внутри компьютерной системы должны

распределяться между программами Поэтому при передаче данных по сети

недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо также

идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является

отсутствие средств позволяющих передавать большие массивы данных

Когда исходные данные превышают максимально допустимый размер пакета

сетевого уровня то эти данные должны быть разбиты на порции каждая из

которых передается в сеть отдельным пакетом Однако каждый пакет

сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других блок

данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и

следовательно ndash обнаружить нарушение целостности общего массива

данных Поэтому средства транспортного уровня обеспечивают отсутствие

потерь информации Такой режим передачи данных получил название

гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой

- 43 -

функциональную надстройку над сетевым уровнем и решают две основных

задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

обеспечение гарантированной доставки массивов данных

произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash

UDP обеспечивающий негарантированную доставку данных между

программами и TCP обеспечивающий гарантированную доставку с

установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной

уровень

Компоненты четырех нижних уровней модели OSI (физического канального

сетевого и транспортного) представляют собой механизм обеспечивающий

доставку данных любого типа и произвольного объема между программами

работающими на разных узлах составной сети Однако при работе в сети

пользователям требуется не просто пересылка данных а выполнение каких-

либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех

возможностей которые предоставляют средства нижних уровней

недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо

просмотреть документ расположенный не на его локальном компьютере а

на удаленной машине Решение такой задачи предполагает как минимум

прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса

содержащего имя документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного

компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной

машины изменений вносимых в этот документ другими пользователями и

уведомление об этом пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав

пользователя на работу с документом что предполагает дополнительный

- 44 -

обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних

уровней не имеют средств позволяющих реализовать специфику такого

взаимодействия Поэтому для его организации требуются дополнительные

надстройки над средствами транспортного и нижележащих уровней В

эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный уровень

уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или

сессии) при длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое

(виртуальное) соединение между двумя программами в общем случае

функционирующими на разных компьютерах В простейшем случае

установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти

необходимых для приема и передачи данных После окончания передачи

данных происходит закрытие соединения предполагающее освобождение

выделенных ресурсов Во многих случаях этого недостаточно поэтому

сессионный уровень предлагает более сложные механизмы для организации

сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая

поддержка осуществляется путем периодической отправки специальных

тестовых пакетов при получении которых участник соединения должен

ответить Возвращаясь к предложенному выше примеру следует отметить

что установление соединения при работе с удаленным документом позволяет

один раз перед началом работы проверить права доступа пользователя а

также один раз передать запрос с именем файла В случае если бы

соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог

бы уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться

дополнительное преобразование Например это необходимо в случае если

взаимодействующие программы используют различные способы кодировки

текстовой информации или если для обеспечения защиты информации

требуется осуществлять шифрование данных Обеспечение подобных

промежуточных преобразований возложено на уровень представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными

уровнями Они позволяют осуществлять работу с различными

информационными ресурсами сети например файлами или сообщениями

электронной почты Естественно что различные типы ресурсов в общем

случае требуют различных методов обработки и в том числе методов

сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI

- 45 -

является прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции

работы с конкретными информационными объектами В предложенном выше

примере (чтение удаленного документа) к функциям прикладного протокола

относятся формирование запросов на получение документа проверка прав

доступа а также определение порядка пересылки файлов и уведомлений об

изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами

определяемых протоколами прикладного уровня часть функций сессионного

уровня и уровня представления может оказаться избыточной поэтому при

программной реализации три верхних уровня обычно объединяются

Page 12: - 3 - ВВЕДЕНИЕicm.muctr.ru/study/computers/inf001.pdf · 2016-08-25 · - 7 - А) Количество информации как мера уменьшения неопределенности

- 14 -

Языки

сверхвысокого

Уровня

Сенсорные

Устройства

Оптические

диски

ДоскаСверхбольшие

Интегральные

схемы

90-нв5

Языки высокого

уровня

Интерактивные

устройства

ВинчестерыСтолБольшие

интеграль

ные

схемы

(БИС)

70ndash804

Алгоритмические

языки

ДисплеиМагнитные

диски

ШкафИнтегральные

схемы (ИС)

60ndash703

Автокоды

(ассемблер)

ТелетайпыМагнитные

ленты

КомнатаТранзисторы50ndash602

Машинные

языки

ПерфораторыМагнитный

барабан

Машинный

зал

Лампы40ndash501

ЯзыкиInoutНакопителиГабаритыЭлементыГодыПоколение

Глава 3 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

31 Развитие программного обеспечения

32Состав Microsoft Office

33 История языков программирования

Microsoft Word (часто mdash MS Word WinWord или просто Word) mdash это текстовый

процессор предназначенный для создания просмотра и редактирования текстовых

документов с локальным применением простейших форм таблично-матричных

алгоритмов Текстовый процессор выпускается корпорацией Microsoft в составе

пакета Microsoft Office Первая версия была написана Ричардом Броди (Richard

Brodie) для IBM PC использующих DOS в 1983 году Позднее выпускались версии

для Apple Macintosh (1984) SCO UNIX и Microsoft Windows (1989)

Microsoft Word многим обязан Bravo mdash текстовому процессору с оригинальным

графическим интерфейсом разработанному в исследовательском центре laquoXerox

PARCraquo Создатель Bravo Чарльз Симони (Charles Simonyi) покинул PARC в 1981

году Тем же летом Симони переманил Броди с которым вместе работал над Bravo

Первый выпуск Word для MS-DOS состоялся в конце 1983 года Он был плохо принят

рынком продажи снижало наличие конкурирующего продукта mdash WordPerfect

Однако версия для Макинтоша выпущенная в 1985 году получила широкое

распространение Через два года laquoWord 301 для Macintoshraquo усилил позиции (версия 30

изобиловала ошибками и быстро была заменена) Как и прочее программное обеспечение

для Макинтоша Word был полностью WYSIWYG-редактором (принцип laquoWhat You See Is

What You Getraquo mdash laquoполучаю то что вижуraquo)

- 15 -

Хотя MS-DOS и являлась текстовой операционной системой лишѐнной графической

оболочки Word для DOS был первым текстовым процессором для IBM PC который был

способен отображать разметку текста например полужирный или курсивный текст в

процессе редактирования Однако он всѐ же не являлся в полном смысле WYSIWYG-

редактором Другие же текстовые процессоры такие как WordStar и WordPerfect

использовали простой текстовый экран с кодами разметки иногда текст был цветным

Однако поскольку в большинстве программного обеспечения под DOS применялись

собственные труднозапоминаемые комбинации laquoгорячих клавишraquo для каждой команды

(например в Wordrsquoе для DOS сохранение файла выполнялось по комбинации ESC-T-S) и

большинство секретарей умели пользоваться только WordPerfect компании весьма

неохотно переходили на конкурирующие с ним продукты имеющие сравнительно

небольшие преимущества

Первая версия Word для Windows выпущенная в 1989 году продавалась по цене 500

долларов США Она демонстрировала выбранный компанией Майкрософт путь развития

как и сама Windows она многое взяла от Macintosh и использовала стандартные

клавиатурные сокращения (например CTRL-S для сохранения файла) После выпуска в

следующем году Windows 30 продажи поползли вверх (Word 10 гораздо лучше работал с

Windows 30 чем с более старыми версиями Windows386 и Windows286) главный

конкурент mdash WordPerfect mdash не смог выпустить рабочую версию под Windows что

оказалось для него смертельной ошибкой Версия 20 утвердила WinWord на позиции

лидера рынка

У Word для Macintosh никогда не было серьѐзных конкурентов даже несмотря на наличие

программ вроде Nisus предоставлявшую возможность выделения нескольких несвязных

кусков текста (появившуюся только в Word 2002 из Office XP) и несмотря на мнение

многих пользователей об отсутствии кардинальных различий между версиями 301

выпущенной в 1987 году и версией 50 выпущенной в 1991 Однако версия 60 для

Macintosh вышедшая в 1994 году была многими воспринята довольно скептически Это

была первая версия без значительных отличий в коде ядра между версиями под Windows и

под Mac Версия под Windows следовавшая за 20 была пронумерована как 60 для

координации названия версий под разные платформы

Последовавшие версии добавляли возможности выходящие за рамки простого текстового

процессора Инструменты рисования позволяли выполнять примитивные операции

вѐрстки такие как добавление графики в документ хотя естественно

специализированные программы для вѐрстки лучше справляются с этими задачами

Внедрение объектов сравнение версий документа мультиязычная поддержка и многие

другие возможности были добавлены за последовавшие несколько лет

Microsoft Word является наиболее популярным из используемых в данный момент

текстовых процессоров что сделало его бинарный формат документа стандартом де-

факто и многие конкурирующие программы имеют поддержку совместимости с данным

форматом Расширение laquodocraquo на платформе IBM PC стало синонимом двоичного формата

Word 97mdash2000 Фильтры экспорта и импорта в данный формат присутствуют в

большинстве текстовых процессоровФормат документа разных версий Word меняется

различия бывают довольно тонкими Форматирование нормально выглядящее в

последней версии может не отображаться в старых версиях программы однако есть

ограниченная возможность сохранения документа с потерей части форматирования для

открытия в старых версиях продукта Последняя версия MS Word 2007 использует по

умолчанию формат основанный на XML - Microsoft Office Open XML Спецификация

- 16 -

форматов файлов Word 97-2007 были опубликован Microsoft в 2008 году[1][2]

Ранее

большая часть информации нужной для работы с данным форматом добывалась

посредством обратного инжиниринга поскольку основная еѐ часть отсутствовала в

открытом доступе или была доступна лишь ограниченному числу партнеров и

контролирующих организаций

Как и прочие приложения из Microsoft Office Word может расширять свои возможности

посредством использования встроенного макроязыка (сначала использовался WordBasic с

версии Word 97 применяется VBA mdash Visual Basic для приложений) Однако это

предоставляет широкие возможности для написания встраиваемых в документы вирусов

(так называемые laquoмакровирусыraquo) Наиболее ярким примером была эпидемия червя

Melissa В связи с этим многие считают разумной рекомендацию всегда выставлять

наивысший уровень настроек безопасности при использовании Word (Меню

laquoToolsgtMacrogtSecurityraquo laquoСервисgtМакросgtБезопасностьhellipraquo в локализованных русских

версиях) Также нелишним будет использовать антивирусное программное обеспечение

Первым вирусом заражавшим документы Microsoft Word был DMV созданный в декабре

1994 года Дж МакНамарой для демонстрации возможности создания макровирусов

Первым же вирусом попавшим в дикую природу и вызвавшим первую в мире

эпидемию макровирусов (это произошло в июле-августе 1995 г) был Concept

12 августа 2009 года суд штата Техас запретил продажу программы Word на территории

США в связи с тем что Microsoft незаконно использует метод чтения XML-файлов

патент на который принадлежит канадской компании i4i [3]

В 1982 году Microsoft запустила на рынок первый электронный табличный процессор

Multiplan который был очень популярен на CPM системах но на MS-DOS системах он

уступал Lotus 1-2-3 Первая версия Excel предназначалась для Mac и была выпущена в

1985 году а первая версия для Windows была выпущена в ноябре 1987 года Lotus не

торопилась выпускать 1-2-3 под Windows и Excel с 1988 года начала обходить по

продажам 1-2-3 что в конечном итоге помогло Microsoft достичь позиций ведущего

разработчика программного обеспечения Microsoft укрепляла свое преимущество с

выпуском каждой новой версии что имело место примерно каждые два года Текущая

версия для платформы Windows mdash Excel 12 также известная как Microsoft Office Excel

2007 Текущая версия для платформы Mac OS X mdash Microsoft Excel 2008

В начале своего пути Excel стал причиной иска о товарном знаке от другой компании уже

продававшей пакет программ под названием laquoExcelraquo В результате спора Microsoft был

обязана использовать название laquoMicrosoft Excelraquo во всех своих официальных пресс-

релизах и юридических документах Однако со временем эта практика была позабыта и

Microsoft окончательно устранила проблему приобретя товарный знак другой программы

Microsoft также решила использовать буквы XL как сокращенное название программы

иконка Windows-программы состоит из стилизованного изображения этих двух букв а

расширение файлов по умолчанию в Excel mdash xls В сравнении с первыми табличными

процессорами Excel представляет множество новых функций пользовательского

интерфейса но суть остается прежней как и в программе-родоначальнике VisiCalc

ячейки расставляются в строки и столбцы и могут содержать данные или формулы с

относительными или абсолютными ссылками на другие клетки

Excel был первым табличным процессором позволявшим пользователю менять внешний

вид таблицы (шрифты символы и внешний вид ячеек) Он также первым представил

метод умного пересчета ячеек когда обновляются только те ячейки которые зависят от

- 17 -

измененных ячеек (раньше табличные процессоры либо постоянно пересчитывали все

ячейки или ждали команды пользователя)

Будучи впервые объединенными в Microsoft Office в 1993 году Microsoft Word и Microsoft

PowerPoint получили новый графический интерфейс для соответствия Excel главного

стимула модернизации ПК в то время

Начиная с 1993 года в состав Excel входит Visual Basic для приложений (VBA) язык

программирования основанный на Visual Basic позволяющий автоматизировать задачи

Excel VBA является мощным дополнением к приложению и в более поздних версиях

Excel доступна полнофункциональная интегрированная среда разработки Можно создать

VBA-код повторяющий действия пользователя и таким образом автоматизировать

простые задачи VBA позволяет создавать формы для общения с пользователем Язык

поддерживает использование (но не создание) DLL от ActiveX более поздние версии

позволяют использовать элементы объектно-ориентированного программирования

Функциональность VBA делала Excel легкой мишенью для макровирусов И это было

серьезной проблемой до тех пор пока антивирусные продукты не научились

обнаруживать их Фирма Microsoft с опозданием приняв меры для уменьшения риска

добавила возможность выбора режима безопасности

Идея PowerPoint появилась у Боба Гаскинса (Bob Gaskins) студента университета Беркли

который решил что наступает век графических интерактивных материалов В 1984 году

Гаскинс присоединился к провальной компании Forethought и нанял разработчика

Денниса Остина (Dennis Austin) Боб и Деннис объединили усилия и создали программу

Presenter Деннис создал оригинальную версию программы с Томом Рудкиным (Tom

Rudkin) Позже Боб решил сменить имя на PowerPoint которое и стало названием

конечного продукта

В 1987 году вышел PowerPoint 10 для Apple Macintosh Он работал в черно-белом цвете

Вскоре появились цветные Macintosh и новая версия PowerPoint не заставила себя ждать

Программное руководство с первой редакцией было уникально Это была книга синего

цвета в твердом переплете Компания Forethought считала что это лучше чем куча

исполняемых файлов помощи на компьютере и инструкций в электронном виде Но

обновление инструкции было необоснованно дорого Идея с подобными книгами была

вскоре заброшена

Позже в 1987 году Forethought и ее продукт были куплены Microsoft за 14 млн $ В 1990

году вышла версия для Windows C 1990 года PowerPoint стал стандартом в наборе

программ Microsoft Office

В 2002 году вышла версия PowerPoint которая не только была включена в пакет Microsoft

Office XP но также распространялась как отдельный продукт В нем появились такие

функции как сравнение и смешение изменений в презентации возможность задавать пути

анимации для индивидуальных форм создание пирамидальных радиальных и целевых

диаграмм а также кругов Эйлера панель задач для просмотра и выбора объектов буфера

обмена защита презентации паролем автоматическая генерация фотоальбома а также

―умные теги для быстрого выбора формата текста скопированного в презентацию

Microsoft PowerPoint 2003 не сильно отличается от предшественника Он увеличивает

эффективность работы в группе и теперь имеет возможность создания ―Пакета для CD

- 18 -

который легко позволяет скопировать презентацию с мультимедийным содержанием и

просмотрщик на компакт диск

Текущая версия Power Point 2007 привносит основные изменения в интерфейс программы

и увеличивает графические возможности

PowerPoint является частью Microsoft Office Это позволило PowerPoint стать наиболее

распространенной во всем мире программой для создания презентаций Файлы

презентаций PowerPoint часто пересылаются пользователями программы на другие

компьютеры что означает необходимую совместимость с ними программ конкурентов

Однако поскольку Power Point имеет возможность подключения элементов других

приложений через OLE некоторые презентации становятся сильно привязанными к

платформе Windows что делает невозможным открытие данных файлов например в

версии для Mac OS Это привело к переходу на открытые стандарты такие как PDF и

OASIS OpenDocument

Глава 4 АЛГОРИТМИЗАЦИЯ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

41 Структурный подход к разработке алгоритмов и программ

42 Основные структуры и операторы VBA

43 Примеры на VBA

- 19 -

Глава 5ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ

Компьютерные сети

Понятие компьютерной сети

Компьютерная сеть (Computer Network) ndash это множество компьютеров соединенных

линиями связи и работающих под управлением специального программного обеспечения

Под линией связи обычно понимают совокупность технических устройств и

физической среды обеспечивающих передачу сигналов от передатчика к приемнику В

реальной жизни примерами линий связи могут служить участки кабеля и усилители

обеспечивающие передачу сигналов между коммутаторами телефонной сети На основе

линий связи строятся каналы связи

Каналом связи обычно называют систему технических устройств и линий связи

обеспечивающую передачу информации между абонентами Соотношение между

понятиями канал и линия описывается следующим образом канал связи может

включать в себя несколько разнородных линий связи а одна линия связи может

использоваться несколькими каналами

Главной целью объединения компьютеров в сеть является предоставление пользователям

возможности доступа к различным информационным ресурсам (например документам

программам базам данных и тд) распределенным по этим компьютерам и их

совместного использования

Важной характеристикой любой компьютерной сети является широта территории

которую она охватывает Широта охвата определятся взаимной удаленностью

компьютеров составляющих сеть и следовательно влияет на технологические решения

выбираемые при построении сети Классически выделяют два типа сетей локальные сети

и глобальные сети

К локальным сетям (Local Area Network LAN) обычно относят сети компьютеры

которых сосредоточены на относительно небольших территориях (как правило в радиусе

до 1-2 км) Классическим примером локальных сетей является сеть одного предприятия

расположенного в одном или нескольких стоящих рядом зданиях Небольшой размер

локальных сетей позволяет использовать для их построения достаточно дорогие и

высококачественные технологии что обеспечивает высокую скорость обмена

информацией между компьютерами

Глобальные сети (Wide Area Network WAN) ndash это сети предназначенные для

объединения отдельных компьютеров и локальных сетей расположенных на

значительном удалении (сотни и тысячи километров) друг от друга Поскольку

организация специализированных высококачественных каналов связи большой

протяженности является достаточно дорогой то в глобальных сетях нередко

используются уже существующие и изначально не предназначенные для построения

компьютерных сетей линии (например телефонные или телеграфные) В связи с этим

скорость передачи данных в таких сетях существенно ниже чем в локальных

Независимо от того какую территорию покрывает сеть какие технологические решения

лежат в основе ее организации существуют общие принципы сетевого взаимодействия

которым должно подчиняться функционирование сети Именно выработка таких общих

- 20 -

принципов способствовала в свое время появлению Интернет (Internet) как объединенной

сети (иногда даже используется термин гиперсеть) собравшей в своем составе

локальные городские и глобальные сети всей планеты

Модель сетевого взаимодействия

В 1984 году Международной Организацией по Стандартизации (International Standard

Organization ISO) была разработана модель взаимодействия открытых систем (Open

Systems Interconnection OSI) Модель представляет собой международный стандарт для

проектирования сетевых коммуникаций и предполагает уровневый подход к построению

сетей Каждый уровень модели обслуживает различные этапы процесса взаимодействия

Посредством деления на уровни сетевая модель OSI упрощает совместную работу

оборудования и программного обеспечения Модель OSI разделяет сетевые функции на

семь уровней прикладной уровень представления сессионный транспортный сетевой

канальный и физический

Физический уровень (Physical layer) определяет способ физического соединения

компьютеров в сети Функциями средств относящихся к данному уровню являются

побитовое преобразование цифровых данных в сигналы передаваемые по физической

среде (например по кабелю) а также собственно передача сигналов

Канальный уровень(Data Link layer) отвечает за организацию передачи данных между

абонентами через физический уровень поэтому на данном уровне предусмотрены

средства адресации позволяющие однозначно идентифицировать отправителя и

получателя во всем множестве абонентов подключенных к обще линии связи В функции

данного уровня также входит упорядочивание передачи с целью параллельного

использования одной линии связи несколькими парами абонентов Кроме того средства

канального уровня обеспечивают проверку ошибок которые могут возникать при

передаче данных физическим уровнем

Сетевой уровень(Network layer) обеспечивает доставку данных между компьютерами

сети представляющей собой объединение различных физических сетей Данный уровень

предполагает наличие средств логической адресации позволяющих однозначно

- 21 -

идентифицировать компьютер в объединенной сети Одной из главных функций

выполняемых средствами данного уровня является целенаправленная передача данных

конкретному получателю

Транспортный уровень(Transport layer) реализует передачу данных между двумя

программами функционирующими на разных компьютерах обеспечивая при этом

отсутствие потерь и дублирования информации которые могут возникать в результате

ошибок передачи нижних уровней В случае если данные передаваемые через

транспортный уровень подвергаются фрагментации то средства данного уровня

гарантируют сборку фрагментов в правильном порядке

Сессионный (или сеансовый) уровень (Session layer) позволяет двум программам

поддерживать продолжительное взаимодействие по сети называемое сессией (session)

или сеансом Этот уровень управляет установлением сеанса обменом информацией и

завершением сеанса Он также отвечает за идентификацию позволяя тем самым только

определенным абонентам принимать участие в сеансе и обеспечивает работу служб

безопасности с целью упорядочивания доступа к информации сессии

Уровень представления(Presentation layer) осуществляет промежуточное

преобразование данных исходящего сообщения в общий формат который предусмотрен

средствами нижних уровней а также обратное преобразование входящих данных из

общего формата в формат понятный получающей программе

Основные принципы уровневого взаимодействия

При уровневой организации процесса взаимодействия должны соблюдаться следующие

требования

компоненты одного уровня одной системы могут взаимодействовать с

компонентами только того же уровня другой системы

в рамках одной системы компоненты какого-либо уровня могут взаимодействовать

только с компонентами смежных (вышележащего и нижележащего) уровней

Набор правил определяющих порядок взаимодействия средств относящихся к одному и

тому же уровню и функционирующих в разных системах называется протоколом

(protocol) Правила взаимодействия между собой средств относящихся к смежным

уровням и функционирующих в одной системе называются интерфейсом (interface)

Функции физического уровня

Физический уровень определяет способ физического соединения компьютеров в сети

Основными функциями средств относящихся к данному уровню является побитовое

преобразование цифровых данных в сигналы среды передачи а также собственно

передача сигналов по физической среде

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно распространение

информационных сигналов в виде электрических световых и тп импульсов В настоящее

время выделяют два основных типа физических соединений соединения с помощью

кабеля и беспроводные соединения

- 22 -

Кабель (cable) используемый для построения компьютерных сетей представляет собой

сложную конструкцию состоящую в общем случае из проводников изолирующих и

экранирующих слоев В современных сетях используются три типа кабеля

Каждый тип кабеля отличается от других внутренним устройством и обладает целым

набором технических характеристик влияющих на основные потребительские параметры

сетей

Тип кабеля Характеристика

Максимальное

расстояние передачи

Максимальная

скорость передачи

Коаксиальный

кабель 185 ndash 500 м 10 Мбитс

Витая пара 30 ndash 100 м 10 Мбитс ndash 1

Гбитс

Оптоволоконный

кабель 2 км

10 Мбитс ndash 2

Гбитс

Топология сети - способ соединения компьютеров с помощью физической среды

Если сеть состоит всего из двух компьютеров то они соединяются напрямую Такой

способ соединения получил название точка-точка (point-to-point)

Выделяют три базовые топологии Шина (bus) Кольцо (ring) Звезда(star)

laquoШинаraquo - использует один передающий канал на базе коаксиального кабеля называемый

шиной Все сетевые компьютеры присоединяются напрямую к шине На концах кабеля-

шины устанавливаются специальные заглушки - терминаторы (terminator) Они

необходимы для того чтобы погасить сигнал после прохождения по шине К недостаткам

топологии Шина следует отнести следующее

данные предаваемые по кабелю доступны всем подключенным компьютерам

в случае повреждения шины вся сеть перестает функционировать

laquoКольцоraquo - характерно отсутствие конечных точек соединения сеть замкнута образуя

неразрывное кольцо по которому передаются данные Эта топология подразумевает

следующий механизм передачи данные передаются последовательно от одного

компьютера к другому пока не достигнут компьютера-получателя Недостатки топологии

кольцо те же то и у топологии шина

общедоступность данных

неустойчивость к повреждениям кабельной системы

В сети с топологией звезда все компьютеры соединены со специальным устройством

называемым сетевым концентратором или хабом (hub) который выполняет функции

- 23 -

распределения данных Прямые соединения двух компьютеров в сети отсутствуют

Благодаря этому имеется возможность решения проблемы общедоступности данных а

также повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы Однако

функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора

Канальный уровень - отвечает за организацию передачи данных между абонентами

через физический уровень поэтому на данном уровне предусмотрены средства адресации

позволяющие однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к общему физическому каналу В функции данного

уровня также входит упорядочивание передачи с целью обеспечения возможности

параллельного использования одного физического канала несколькими парами абонентов

Средства канального уровня обеспечивают проверку ошибок которые могут возникать

при передаче данных физическим уровнем Большинство функций канального уровня

выполняются устройствами передачи данных (например сетевым адаптером)

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена способ

представления информации а также необходимый набор правил позволяющий

упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток битов Перед

передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с принципом пакетной

коммутации разделяется на порции каждая из которых снабжается заголовком

содержащим некоторую служебную информацию те формируется пакет На канальном

уровне пакет называется кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает протокол Сложность

канальных протоколов во многом определяется сложностью топологии сети Очевидно

что организовать общение всего двух абонентов существенно проще чем упорядочивать

информационный обмен в сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких

пар абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Сетевой уровень - сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

- 24 -

адресации определенных различными технологиями Поэтому для обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого уровня модели OSI Устройства этого уровня предназначенные для объединения сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку составной сети Процесс определения пути прохождения данных через подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название маршрутизаторов

Транспортный уровень Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных

между устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд) Однако

не следует забывать что на одном узле может функционировать параллельно несколько

программ которым требуется доступ к сети Следовательно данные внутри

компьютерной системы должны распределяться между программами Поэтому при

передаче данных по сети недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо

также идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является отсутствие средств

позволяющих передавать большие массивы данных Когда исходные данные превышают

максимально допустимый размер пакета сетевого уровня то эти данные должны быть

разбиты на порции каждая из которых передается в сеть отдельным пакетом Однако

каждый пакет сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других

блок данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и следовательно ndash

обнаружить нарушение целостности общего массива данных Поэтому средства

транспортного уровня обеспечивают отсутствие потерь информации Такой режим

передачи данных получил название гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой функциональную

надстройку над сетевым уровнем и решают две основных задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

- 25 -

обеспечение гарантированной доставки массивов данных произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash UDP

обеспечивающий негарантированную доставку данных между программами и TCP

обеспечивающий гарантированную доставку с установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной уровень - Компоненты четырех

нижних уровней модели OSI (физического канального сетевого и транспортного)

представляют собой механизм обеспечивающий доставку данных любого типа и

произвольного объема между программами работающими на разных узлах составной

сети Однако при работе в сети пользователям требуется не просто пересылка данных а

выполнение каких-либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех возможностей

которые предоставляют средства нижних уровней недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо просмотреть

документ расположенный не на его локальном компьютере а на удаленной машине

Решение такой задачи предполагает как минимум прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса содержащего имя

документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной машины

изменений вносимых в этот документ другими пользователями и уведомление об этом

пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав пользователя на

работу с документом что предполагает дополнительный обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних уровней не имеют

средств позволяющих реализовать специфику такого взаимодействия Поэтому для его

организации требуются дополнительные надстройки над средствами транспортного и

нижележащих уровней В эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный

уровень уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или сессии) при

длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое (виртуальное) соединение между

двумя программами в общем случае функционирующими на разных компьютерах В

простейшем случае установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти необходимых для

приема и передачи данных После окончания передачи данных происходит закрытие

соединения предполагающее освобождение выделенных ресурсов Во многих случаях

этого недостаточно поэтому сессионный уровень предлагает более сложные механизмы

для организации сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая поддержка

осуществляется путем периодической отправки специальных тестовых пакетов при

получении которых участник соединения должен ответить Возвращаясь к

предложенному выше примеру следует отметить что установление соединения при

работе с удаленным документом позволяет один раз перед началом работы проверить

- 26 -

права доступа пользователя а также один раз передать запрос с именем файла В случае

если бы соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог бы

уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться дополнительное

преобразование Например это необходимо в случае если взаимодействующие

программы используют различные способы кодировки текстовой информации или если

для обеспечения защиты информации требуется осуществлять шифрование данных

Обеспечение подобных промежуточных преобразований возложено на уровень

представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными уровнями Они

позволяют осуществлять работу с различными информационными ресурсами сети

например файлами или сообщениями электронной почты Естественно что различные

типы ресурсов в общем случае требуют различных методов обработки и в том числе

методов сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI является

прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции работы с конкретными

информационными объектами В предложенном выше примере (чтение удаленного

документа) к функциям прикладного протокола относятся формирование запросов на

получение документа проверка прав доступа а также определение порядка пересылки

файлов и уведомлений об изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами определяемых

протоколами прикладного уровня часть функций сессионного уровня и уровня

представления может оказаться избыточной поэтому при программной реализации три

верхних уровня обычно объединяются

Модель сетевого взаимодействия

В 1984 году Международной Организацией по Стандартизации (International

Standard Organization ISO) была разработана модель взаимодействия

открытых систем (Open Systems Interconnection OSI) Модель представляет

собой международный стандарт для проектирования сетевых коммуникаций

и предполагает уровневый подход к построению сетей Каждый уровень

модели обслуживает различные этапы процесса взаимодействия

Посредством деления на уровни сетевая модель OSI упрощает совместную

работу оборудования и программного обеспечения Модель OSI разделяет

сетевые функции на семь уровней прикладной уровень представления

сессионный транспортный сетевой канальный и физический

Ниже дается краткая характеристика уровней модели

Физический уровень (Physical layer) определяет способ физического

соединения компьютеров в сети Функциями средств относящихся к

данному уровню являются побитовое преобразование цифровых

- 27 -

данных в сигналы передаваемые по физической среде (например по

кабелю) а также собственно передача сигналов

Канальный уровень(Data Link layer) отвечает за организацию передачи

данных между абонентами через физический уровень поэтому на

данном уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к обще линии связи В функции

данного уровня также входит упорядочивание передачи с целью

параллельного использования одной линии связи несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем

Сетевой уровень(Network layer) обеспечивает доставку данных между

компьютерами сети представляющей собой объединение различных

физических сетей Данный уровень предполагает наличие средств

логической адресации позволяющих однозначно идентифицировать

компьютер в объединенной сети Одной из главных функций

выполняемых средствами данного уровня является целенаправленная

передача данных конкретному получателю

Транспортный уровень(Transport layer) реализует передачу данных

между двумя программами функционирующими на разных

компьютерах обеспечивая при этом отсутствие потерь и дублирования

информации которые могут возникать в результате ошибок передачи

нижних уровней В случае если данные передаваемые через

транспортный уровень подвергаются фрагментации то средства

данного уровня гарантируют сборку фрагментов в правильном

порядке

Сессионный (или сеансовый) уровень (Session layer) позволяет двум

программам поддерживать продолжительное взаимодействие по сети

называемое сессией (session) или сеансом Этот уровень управляет

установлением сеанса обменом информацией и завершением сеанса

Он также отвечает за идентификацию позволяя тем самым только

определенным абонентам принимать участие в сеансе и обеспечивает

работу служб безопасности с целью упорядочивания доступа к

информации сессии

Уровень представления(Presentation layer) осуществляет

промежуточное преобразование данных исходящего сообщения в

общий формат который предусмотрен средствами нижних уровней а

также обратное преобразование входящих данных из общего формата в

формат понятный получающей программе

Прикладной уровень (Application layer) предоставляет

высокоуровневые функции сетевого взаимодействия такие как

передача файлов отправка сообщений по электронной почте и тп

Основные принципы уровневого взаимодействия

- 28 -

При уровневой организации процесса взаимодействия должны соблюдаться

следующие требования

компоненты одного уровня одной системы могут взаимодействовать с

компонентами только того же уровня другой системы

в рамках одной системы компоненты какого-либо уровня могут

взаимодействовать только с компонентами смежных (вышележащего и

нижележащего) уровней

Порядок уровневого взаимодействия

Набор правил определяющих порядок взаимодействия средств относящихся

к одному и тому же уровню и функционирующих в разных системах

называется протоколом (protocol) Правила взаимодействия между собой

средств относящихся к смежным уровням и функционирующих в одной

системе называются интерфейсом (interface)

Практическая реализация уровневого взаимодействия

На практике протоколы и интерфейсы регламентируют технические

требования предъявляемые к программным и аппаратным средствам

Программные (аппаратные) модули предназначенные для обеспечения

практического взаимодействия определяемого тем или иным протоколом

(или интерфейсом) обычно называют реализацией протокола (или

интерфейса)

Хотя различные компоненты относящиеся к различным уровням сетевой

модели формально должны быть функционально независимыми друг от

друга при практической разработке протоколов такая независимость не

всегда выдерживается Это объясняется тем что попытка добиться точного

соответствия эталонной модели может привести к неэффективности работы

программно-аппаратного обеспечения реализующего протокол В настоящее

время наблюдается два типа отклонений возникающих при реализации

уровневого взаимодействия

- 29 -

функции некоторых уровней могут объединяться одним протоколом и

наоборот ndash функции одного уровня могут делиться между различными

протоколами

функционирование протокола какого-либо уровня подразумевают

использование только определенных протоколов нижележащего

уровня

Поэтому разработка практических методов сетевого взаимодействия как

правило подразумевает разработку не отдельных протоколов а целых

наборов протоколов Такие наборы обычно включают в себя протоколы

относящиеся к нескольким смежным уровням эталонной модели OSI и

называются стеками (или семействами наборами) протоколов (protocol stack

protocol suite) Наиболее известным стеком протоколов обеспечивающим

взаимодействие в сети Интернет является стек протоколов TCPIP

Физический уровень

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Среда передачи

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Физический уровень определяет способ физического соединения

компьютеров в сети Основными функциями средств относящихся к

данному уровню является побитовое преобразование цифровых данных в

сигналы среды передачи а также собственно передача сигналов по

физической среде

Кабельные системы

- 30 -

Кабель (cable) используемый для построения компьютерных сетей

представляет собой сложную конструкцию состоящую в общем случае из

проводников изолирующих и экранирующих слоев В современных сетях

используются три типа кабеля

Еще одним важным понятием физического уровня является способ

соединения компьютеров с помощью физической среды или топология сети

Если сеть состоит всего из двух компьютеров то они соединяются

напрямую Такой способ соединения получил название точка-точка

(point-to-point)

Соединение типа точка-точка

Для обеспечения связи более чем двух компьютеров может использоваться

последовательность соединений типа точка-точка

Последовательность соединений типа точка-точка

Однако такой подход требует установки на большую часть компьютеров

нескольких устройств передачи данных

В качестве альтернативного подхода возможно использование более

сложных топологий позволяющих подключить к общей среде сразу

несколько компьютеров имеющих по одному устройству передачи данных

- 31 -

Выделяют три базовые топологии Шина (bus) Кольцо (ring)

Звезда(star)

Топология laquoШинаraquo

Топология Шина

Эта топология использует один передающий канал на базе коаксиального

кабеля называемый шиной Все сетевые компьютеры присоединяются

напрямую к шине На концах кабеля-шины устанавливаются специальные

заглушки - терминаторы (terminator) Они необходимы для того чтобы

погасить сигнал после прохождения по шине К недостаткам топологии

Шина следует отнести следующее

данные предаваемые по кабелю доступны всем подключенным

компьютерам

в случае повреждения шины вся сеть перестает функционировать

Топология laquoКольцоraquo

Топология Кольцо

Для топологии кольцо характерно отсутствие конечных точек соединения

сеть замкнута образуя неразрывное кольцо по которому передаются данные

Эта топология подразумевает следующий механизм передачи данные

передаются последовательно от одного компьютера к другому пока не

- 32 -

достигнут компьютера-получателя Недостатки топологии кольцо те же то

и у топологии шина

общедоступность данных

неустойчивость к повреждениям кабельной системы

Топология laquoЗвездаraquo

Топология Звезда

В сети с топологией звезда все компьютеры соединены со специальным

устройством называемым сетевым концентратором или хабом (hub)

который выполняет функции распределения данных Прямые соединения

двух компьютеров в сети отсутствуют Благодаря этому имеется

возможность решения проблемы общедоступности данных а также

повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы Однако

функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора

Физическая и логическая топологии

Следует отметить что термин топология может употребляться для

обозначения двух понятий ndash физической топологии и логической топологии

Физическая топология ndash способ физического соединения компьютеров с

помощью среды передачи например участками кабеля Логическая

топология определяет маршруты передачи данных в сети Во многих

случаях физическая топология однозначно определяет логическую

топологию Однако существуют такие конфигурации в которых логическая

топология отличается от физической Например сеть с физической

- 33 -

топологией laquoзвездаraquo может иметь логическую топологию laquoшинаraquo ndash все

зависит от того каким образом устроен сетевой концентратор

Кодированиедекодирование данных Как известно данные обрабатываемые

компьютером представляются в двоичном виде - как последовательность

нулей и единиц Однако понятия нуль и единица являются логическими

понятиями обозначающими электрические сигналы отличающиеся друг от

друга физическими параметрами и использующиеся для представления

информации в различных устройствах например оперативной памяти или

центральном процессоре В силу различных технических причин эти сигналы

не всегда могут передаваться по физическим каналам связи Поэтому они

должны быть преобразованы Процесс преобразования сигналов удобных

для компьютера в сигналы которые могут быть переданы по сети

называется физическим кодированием а обратное преобразование -

декодированием

Передача сигналов Информационные сигналы передаются по физическим

линиям связи последовательно В случае если между передающей и

принимающей сторонами параллельно существуют более одной линии

например проложено несколько кабелей то оказывается возможным

одновременно (параллельно) передавать несколько сигналов Если эти

сигналы представляют различные биты передаваемых данных то

повышается скорость информационного обмена Если же сигналы

представляют один и тот же бит данных - то повышается надежность

взаимодействия

Канальный уровень

Канальный уровень отвечает за организацию передачи данных

между абонентами через физический уровень поэтому на данном

уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к общему физическому

каналу В функции данного уровня также входит упорядочивание

передачи с целью обеспечения возможности параллельного

использования одного физического канала несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем Большинство функций канального уровня

выполняются устройствами передачи данных (например сетевым

- 34 -

адаптером)

Метод коммутации

дной из центральных проблем организации передачи данных по физическим

каналам является проблема параллельного использования одного и того же

канала несколькими парами абонентов Методы лежащие в основе ее

решения получили название методов коммутации

В настоящее время существует два основных метода коммутации

коммутация каналов и коммутация пакетов

Коммутация каналов предполагает что перед началом передачи данных

должна быть выполнена процедура установления соединения в результате

которой образуется составной канал По окончании сеанса связи соединение

разрывается и канал освобождается Классическим примером реализации

коммутации каналов является телефонная связь которая подразумевает что

абонент перед началом разговора набирает номер второго абонента в

результате чего последовательное переключение промежуточных

коммутаторов позволяет образовать непрерывный канал связи между

абонентами Коммутация каналов удобна для организации линий связи в

которых подразумевается передача потоков данных постоянной

интенсивности например таких как телефонный разговор в силу чего этот

метод оказывается недостаточно гибким при построении компьютерных

сетей

Метод коммутации пакетов основан на разбиении передаваемых по сети

данных на небольшие порции Каждая такая порция передается по сети

как единое целое и называется пакетом Такой метод является очень

удобным для параллельного использования физического канала несколькими

парами абонентов канал является занятым только во время прохождения

пакета Временные промежутки между передачей пакетов одним абонентам

могут быть использованы другими для отправки собственных пакетов

Пакет обычно состоит из двух частей ndash заголовка содержащего служебные

данные необходимые для управления доставкой пакета и собственно

данных подлежащих передаче Порядок обмена пакетами а также

конкретный состав заголовка пакетов определяется сетевым протоколом

Для именования пакетов различных уровней модели OSI используются

специальные термины Для канального уровня используется термин кадр

для сетевого ndash пакет для транспортного ndash сегмент дейтаграмма для

сессионного и более высоких уровней ndash сообщение

- 35 -

Протоколы канального уровня

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена

способ представления информации а также необходимый набор правил

позволяющий упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток

битов Перед передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с

принципом пакетной коммутации разделяется на порции каждая из

которых снабжается заголовком содержащим некоторую служебную

информацию те формируется пакет На канальном уровне пакет называется

кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает

протокол Сложность канальных протоколов во многом определяется

сложностью топологии сети Очевидно что организовать общение всего двух

абонентов существенно проще чем упорядочивать информационный обмен в

сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких пар

абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Структура кадра данных

Состав заголовка кадра зависит от многих факторов определяемых набором

функций которые выполняет протокол Тем не менее можно выделить ряд

информационных полей которые обычно присутствуют в заголовке кадра К

таким полям относятся

1 Специальные поля предназначенные для определения границ кадров

Поскольку в физической среде могут постоянно проходить какие-либо

сигналы то сетевые адаптеры должны уметь разбираться в том когда

начинается передача кадра и когда она заканчивается

2 Поле предназначенное для определения протокола сетевого уровня

которому необходимо передать данные Так как на одном компьютере могут

функционировать программные модули различных протоколов сетевого

уровня то протоколы канального уровня должны уметь распределять данные

по этим протоколам

3 Контрольная сумма (или специальный код) содержимого кадра которая

позволяет принимающей стороне определить наличие ошибок в принятых

данных Принцип ее использования состоит в следующем Сетевой адаптер

отправляющего компьютера после формирования кадра вычисляет значение

- 36 -

его контрольной суммы на основе содержимого и помещает это значение в

заголовок кадра Принимающая сторона также вычисляет контрольную

сумму полученного кадра и сравнивает его со значением помещенным в

заголовке Если они не совпадают то это означает что во время передачи

кадра произошла ошибка

4 Поля предназначенные для адресации абонентов в сложных сетях

(определены для протоколов применяемых в сетях базирующихся на

сложных топологиях)

Обобщенная структура кадра данных

Протоколы для сетей сложных топологий

Протоколы канального уровня этой группы являются более сложными чем

протоколы использующиеся в сетях типа точка-точка так как вынуждены

выполнять ряд дополнительных функций Основными функциями являются

Выделение на всем множестве компьютеров подключенных к сети

конкретного абонента с которым осуществляется информационный обмен

то есть адресация

Адресация абонентов

Упорядочивание доступа к среде передачи в случае когда нескольким парам

абонентов требуется осуществить передачу данных

Для обеспечения адресации абонентов в заголовке кадров должны

присутствовать следующие поля

- 37 -

1 Адрес отправителя ndash некоторое число (или набор чисел) позволяющее

идентифицировать сетевой адаптер (а следовательно и компьютер в

котором она установлена) который осуществил передачу кадра данных в

сеть Адреса присваиваются сетевым адаптерам на заводе-изготовителе и

как правило не изменяются в дальнейшем хотя большинство современных

адаптеров позволяют перепрограммировать сетевой адрес

Протоколы канального уровня и сетевые технологии

Функциональный состав того или иного протокола канального уровня во

многом определяется особенностями физического уровня например

топологией сети или типом среды передачи Поэтому при проектировании

сетевого взаимодействия используются и разрабатываются комплексные

стандарты получившие название сетевых технологий

Сетевая технология ndash это набор стандартов определяющий минимальный

состав программно-аппаратных средств достаточный для организации

взаимодействия компьютеров в сети Как правило сетевая технология

определяет топологию сети а также протокол канального уровня (формат

кадра порядок обмена кадрами MTU)

В настоящее время существует большое количество сетевых технологий и

соответственно определяемых ими протоколов канального уровня

Рассмотрим для примера одну из наиболее популярных в настоящее время

технологий ndash технологию локальных сетей Ethernet Эта технология

предполагает что сеть должна строиться на основе физических топологий

шина если используется коаксиальный кабель или звезда если

используется кабель типа витая пара В зависимости от типа используемого

кабеля скорость передачи данных лежит в диапазоне 10-100 Мбитс В

качестве метода доступа к среде передачи используется метод обнаружения

коллизий (CSMACD) Что касается формата кадра то в настоящее время на

практике используются 4 варианта кадров Ethernet отличающихся друг от

друга но все они согласуются с общими положениями изложенными ранее

Максимальный объем данных передаваемых в одном кадре (MTU) в

технологии Ethernet не может превышать 1500 байт

Помимо технологии Ethernet в настоящее время в локальных сетях широко

используются технологии AppleTalk FDDI и ATM В глобальных сетях

широко распространены технологии ATM FrameRelay ISDN и SMDS

Существует также ряд технологий использующихся для организации

беспроводных сетей Наиболее популярной технологией применяемой при

- 38 -

построении локальных сетей в настоящее время является технология

RadioEthernet Она предполагает передачу данных в двух УКВ-диапазонах

около 915 МГЦ и 2400-24835 МГц а также в инфракрасном спектре

Диапазон 915 МГц в России и Европе достаточно сильно загружен

средствами связи (сотовая телефония) поэтому он используется как

правило для организации сетей внутри зданий хотя технически позволяет

осуществлять передачу на значительные расстояния Это же ограничение

распространяется и на инфракрасный диапазон поскольку инфракрасные

лучи чувствительны к погодным условиям В зависимости от того какой

режим передачи используется сети RadioEthernet позволяют осуществлять

передачу данных со скоростью 2 - 10 Мбитс Технология RadioEthernet

предполагает построение сетей на базе топологий точка-точка и звезда В

качестве метода доступа используется метод предупреждения коллизий

(CSMACA)

Наряду с кабельными и беспроводными технологиями существуют также

технологии предполагающие комбинирование различных типов физической

среды передачи Обычно они применяются для построения асимметричных

сетей небольшие по объему запросы пользовательских компьютеров

передаются по кабельным каналам например с использованием телефонных

линий и модемов а прием осуществляется через спутниковый радиоканал

Объединение сетей на канальном уровне

Сложные сети в общем случае представляют собой совокупность

нескольких сетей Такие сети называются объединенными сетями

(internetwork)

Необходимость объединения сетей может быть вызвана разными причинами

Прежде всего это - преодоление технических ограничений среды передачи

например максимального расстояния передачи данных Кроме того

построение сети как объединенной позволяет повысить надежность (выход

из строя одной физической среды не влияет на работу остальных) и

обеспечить определенный уровень конфиденциальности (данные

передаваемые между компьютерами одной физической среды оказываются

недоступными компьютерам других сетей)

Для построения объединенных сетей требуются специальные устройства

которые позволяют подключать к себе две (или более) сети Наиболее

простым устройством такого вида является мост (bridge)

Мост

- 39 -

Принцип функционирования моста достаточно прост для подключения сетей

мост располагает несколькими портами с каждым из которых связываются

записи так называемой адресной таблицы содержащей список адресов

компьютеров сетей подключенных к мосту Когда мост получает кадр

данных то он передает его в сеть через порт который согласно таблице

соответствует адресу получателя В случае если адрес получателя не

обнаружен в адресной таблице то кадр передается во все сети Адресные

таблицы мостов как правило строятся на основе анализа кадров

передаваемых по сетям

Функции сетевого уровня

Сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе

различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне

достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети

но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети

с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это

объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

адресации определенных различными технологиями Поэтому для

обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства

представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую

абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых

технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого

уровня модели OSI

Очевидно что устройства этого уровня предназначенные для объединения

сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального

уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную

передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть

определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку

составной сети Процесс определения пути прохождения данных через

подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства

объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название

маршрутизаторов

- 40 -

Протокол IP

Протокол IP (Internet Protocol) входит в состав стека протоколов TCPIP и

является основным протоколом сетевого уровня использующимся в

Интернет и обеспечивающим единую схему логической адресации устройств

в сети и маршрутизацию данных

Для выполнения своих функций протокол определяет свой собственный

формат пакета Основными информационными полями заголовка пакета

являются

IP-адреса отправителя и получателя ndash предназначены для

идентификации отправителя и получателя (см IP-адресация)

Время жизни пакета (Time To Live TTL) - определяет время которое

IP-пакет может находиться в сети и предназначено для

предотвращения захламления сети заблудившимися пакетами

поля предназначенные для фрагментации пакетов (см IP-

фрагментация)

поля предназначенные для управления обработкой пакета (длина

пакета и заголовка контрольная сумма заголовка тип обслуживания и

тд)

Существует 5 классов IP-адресов ndash A B C D E Принадлежность IP-

адреса к тому или иному классу определяется значением первого

октета (W) Ниже показано соответствие значений первого октета и

классов адресов

Класс IP-адреса A B C D E

Диапазон первого

октета

1-

126

128-

191

192-

223

224-

239

240-

247

IP-адреса первых трех классов предназначены для адресации

отдельных узлов и отдельных сетей Такие адреса состоят из двух

частей ndash номера сети и номера узла Такая схема аналогична схеме

почтовых индексов ndash первые три цифры кодируют регион а остальные

ndash почтовое отделение внутри региона

Преимущества двухуровневой схемы очевидны она позволяет во-

первых адресовать целиком отдельные сети внутри составной сети

что необходимо для обеспечения маршрутизации а во-вторых ndash

присваивать узлам номера внутри одной сети независимо от других

сетей Естественно что компьютеры входящие в одну и ту же сеть

должны иметь IP-адреса с одинаковым номером сети

- 41 -

IP-Маршрутизация ndash процесс выбора пути для передачи пакета в сети Под

путем (маршрутом) понимается последовательность маршрутизаторов через

которые проходит пакет по пути к узлу-назначению IP-маршрутизатор ndash это

специальное устройство предназначенное для объединения сетей и

обеспечивающее определение пути прохождения пакетов в составной сети

Маршрутизатор должен иметь несколько IP-адресов с номерами сетей

соответствующими номерам объединяемых сетей

Как известно для разных сетевых технологий значение MTU определенное

для кадров данных может отличаться Поэтому при преобразовании кадров

на маршрутизаторе может потребоваться разделение вложенных в них IP-

пакетов на более мелкие пакеты

Для разделения пакетов на фрагменты модуль IP установленный на

маршрутизаторе создает на его основе некоторое число новых пакетов (в

соответствии с длиной исходного пакета и значения MTU для сети куда

должны быть переданы данные) Для того чтобы данные могли быть

правильно собраны получателем в заголовки новых IP-пакетов помещается

специальный числовой идентификатор позволяющий однозначно

определить что эти пакеты являются фрагментами одного большого пакета

Кроме того в заголовках также указывается положения фрагментов в

исходном пакете что позволяет обеспечить правильный порядок сборки

получателем

Вспомогательные протоколы сетевого уровня стека TCPIP

Главными функциями протокола IP является обеспечение единой схемы

адресации независимой от принципов адресации определяемых сетевыми

технологиями (адресацией канального уровня) а также передача данных по

составной сети (маршрутизация и фрагментация пакетов) Однако для

организации реального взаимодействия этого оказывается недостаточно -

существует еще ряд проблем

Первая проблема состоит в следующем Для того чтобы передать данные по

сети программное обеспечение протокола IP создает пакет и передает его

средствам канального уровня При этом средствам канального уровня для

формирования кадра данных необходим адрес получателя причем не

логический IP-адрес а MAC-адрес который может быть правильно опознан

сетевым адаптером принимающего компьютера Однако спецификацией

протокола IP не предусмотрен механизм позволяющий определять

соответствие между аппаратными и IP-адресами Эту функцию выполняет

вспомогательный протокол сетевого уровня ARP (Address Resolution

Protocol) входящий в семейство протоколов TCPIP

- 42 -

Другая серьезная проблема состоит в том что если при обработке IP-пакета

на маршрутизаторе возникли какие-то проблемы например истекло время

жизни пакета то отправитель о них не узнает поскольку механизм

обратной связи также не предусмотрен спецификацией протокола IP Для

решения этой проблемы используется специальный протокол сетевого

уровня ICMP (Internet Control Message Protocol) входящий в стек протоколов

TCPIP и обеспечивающий передачу управляющей информации и

информации об ошибках

В семействе протоколов TCPIP предусмотрен также ряд других

вспомогательных протоколов например протоколы динамической

маршрутизации обеспечивающие обмен информацией между

маршрутизаторами с целью автоматизации построения таблиц

маршрутизации

Транспортный уровень

Функции транспортного уровня

Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных между

устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд)

Однако не следует забывать что на одном узле может функционировать

параллельно несколько программ которым требуется доступ к сети

Следовательно данные внутри компьютерной системы должны

распределяться между программами Поэтому при передаче данных по сети

недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо также

идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является

отсутствие средств позволяющих передавать большие массивы данных

Когда исходные данные превышают максимально допустимый размер пакета

сетевого уровня то эти данные должны быть разбиты на порции каждая из

которых передается в сеть отдельным пакетом Однако каждый пакет

сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других блок

данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и

следовательно ndash обнаружить нарушение целостности общего массива

данных Поэтому средства транспортного уровня обеспечивают отсутствие

потерь информации Такой режим передачи данных получил название

гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой

- 43 -

функциональную надстройку над сетевым уровнем и решают две основных

задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

обеспечение гарантированной доставки массивов данных

произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash

UDP обеспечивающий негарантированную доставку данных между

программами и TCP обеспечивающий гарантированную доставку с

установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной

уровень

Компоненты четырех нижних уровней модели OSI (физического канального

сетевого и транспортного) представляют собой механизм обеспечивающий

доставку данных любого типа и произвольного объема между программами

работающими на разных узлах составной сети Однако при работе в сети

пользователям требуется не просто пересылка данных а выполнение каких-

либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех

возможностей которые предоставляют средства нижних уровней

недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо

просмотреть документ расположенный не на его локальном компьютере а

на удаленной машине Решение такой задачи предполагает как минимум

прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса

содержащего имя документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного

компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной

машины изменений вносимых в этот документ другими пользователями и

уведомление об этом пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав

пользователя на работу с документом что предполагает дополнительный

- 44 -

обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних

уровней не имеют средств позволяющих реализовать специфику такого

взаимодействия Поэтому для его организации требуются дополнительные

надстройки над средствами транспортного и нижележащих уровней В

эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный уровень

уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или

сессии) при длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое

(виртуальное) соединение между двумя программами в общем случае

функционирующими на разных компьютерах В простейшем случае

установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти

необходимых для приема и передачи данных После окончания передачи

данных происходит закрытие соединения предполагающее освобождение

выделенных ресурсов Во многих случаях этого недостаточно поэтому

сессионный уровень предлагает более сложные механизмы для организации

сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая

поддержка осуществляется путем периодической отправки специальных

тестовых пакетов при получении которых участник соединения должен

ответить Возвращаясь к предложенному выше примеру следует отметить

что установление соединения при работе с удаленным документом позволяет

один раз перед началом работы проверить права доступа пользователя а

также один раз передать запрос с именем файла В случае если бы

соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог

бы уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться

дополнительное преобразование Например это необходимо в случае если

взаимодействующие программы используют различные способы кодировки

текстовой информации или если для обеспечения защиты информации

требуется осуществлять шифрование данных Обеспечение подобных

промежуточных преобразований возложено на уровень представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными

уровнями Они позволяют осуществлять работу с различными

информационными ресурсами сети например файлами или сообщениями

электронной почты Естественно что различные типы ресурсов в общем

случае требуют различных методов обработки и в том числе методов

сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI

- 45 -

является прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции

работы с конкретными информационными объектами В предложенном выше

примере (чтение удаленного документа) к функциям прикладного протокола

относятся формирование запросов на получение документа проверка прав

доступа а также определение порядка пересылки файлов и уведомлений об

изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами

определяемых протоколами прикладного уровня часть функций сессионного

уровня и уровня представления может оказаться избыточной поэтому при

программной реализации три верхних уровня обычно объединяются

Page 13: - 3 - ВВЕДЕНИЕicm.muctr.ru/study/computers/inf001.pdf · 2016-08-25 · - 7 - А) Количество информации как мера уменьшения неопределенности

- 15 -

Хотя MS-DOS и являлась текстовой операционной системой лишѐнной графической

оболочки Word для DOS был первым текстовым процессором для IBM PC который был

способен отображать разметку текста например полужирный или курсивный текст в

процессе редактирования Однако он всѐ же не являлся в полном смысле WYSIWYG-

редактором Другие же текстовые процессоры такие как WordStar и WordPerfect

использовали простой текстовый экран с кодами разметки иногда текст был цветным

Однако поскольку в большинстве программного обеспечения под DOS применялись

собственные труднозапоминаемые комбинации laquoгорячих клавишraquo для каждой команды

(например в Wordrsquoе для DOS сохранение файла выполнялось по комбинации ESC-T-S) и

большинство секретарей умели пользоваться только WordPerfect компании весьма

неохотно переходили на конкурирующие с ним продукты имеющие сравнительно

небольшие преимущества

Первая версия Word для Windows выпущенная в 1989 году продавалась по цене 500

долларов США Она демонстрировала выбранный компанией Майкрософт путь развития

как и сама Windows она многое взяла от Macintosh и использовала стандартные

клавиатурные сокращения (например CTRL-S для сохранения файла) После выпуска в

следующем году Windows 30 продажи поползли вверх (Word 10 гораздо лучше работал с

Windows 30 чем с более старыми версиями Windows386 и Windows286) главный

конкурент mdash WordPerfect mdash не смог выпустить рабочую версию под Windows что

оказалось для него смертельной ошибкой Версия 20 утвердила WinWord на позиции

лидера рынка

У Word для Macintosh никогда не было серьѐзных конкурентов даже несмотря на наличие

программ вроде Nisus предоставлявшую возможность выделения нескольких несвязных

кусков текста (появившуюся только в Word 2002 из Office XP) и несмотря на мнение

многих пользователей об отсутствии кардинальных различий между версиями 301

выпущенной в 1987 году и версией 50 выпущенной в 1991 Однако версия 60 для

Macintosh вышедшая в 1994 году была многими воспринята довольно скептически Это

была первая версия без значительных отличий в коде ядра между версиями под Windows и

под Mac Версия под Windows следовавшая за 20 была пронумерована как 60 для

координации названия версий под разные платформы

Последовавшие версии добавляли возможности выходящие за рамки простого текстового

процессора Инструменты рисования позволяли выполнять примитивные операции

вѐрстки такие как добавление графики в документ хотя естественно

специализированные программы для вѐрстки лучше справляются с этими задачами

Внедрение объектов сравнение версий документа мультиязычная поддержка и многие

другие возможности были добавлены за последовавшие несколько лет

Microsoft Word является наиболее популярным из используемых в данный момент

текстовых процессоров что сделало его бинарный формат документа стандартом де-

факто и многие конкурирующие программы имеют поддержку совместимости с данным

форматом Расширение laquodocraquo на платформе IBM PC стало синонимом двоичного формата

Word 97mdash2000 Фильтры экспорта и импорта в данный формат присутствуют в

большинстве текстовых процессоровФормат документа разных версий Word меняется

различия бывают довольно тонкими Форматирование нормально выглядящее в

последней версии может не отображаться в старых версиях программы однако есть

ограниченная возможность сохранения документа с потерей части форматирования для

открытия в старых версиях продукта Последняя версия MS Word 2007 использует по

умолчанию формат основанный на XML - Microsoft Office Open XML Спецификация

- 16 -

форматов файлов Word 97-2007 были опубликован Microsoft в 2008 году[1][2]

Ранее

большая часть информации нужной для работы с данным форматом добывалась

посредством обратного инжиниринга поскольку основная еѐ часть отсутствовала в

открытом доступе или была доступна лишь ограниченному числу партнеров и

контролирующих организаций

Как и прочие приложения из Microsoft Office Word может расширять свои возможности

посредством использования встроенного макроязыка (сначала использовался WordBasic с

версии Word 97 применяется VBA mdash Visual Basic для приложений) Однако это

предоставляет широкие возможности для написания встраиваемых в документы вирусов

(так называемые laquoмакровирусыraquo) Наиболее ярким примером была эпидемия червя

Melissa В связи с этим многие считают разумной рекомендацию всегда выставлять

наивысший уровень настроек безопасности при использовании Word (Меню

laquoToolsgtMacrogtSecurityraquo laquoСервисgtМакросgtБезопасностьhellipraquo в локализованных русских

версиях) Также нелишним будет использовать антивирусное программное обеспечение

Первым вирусом заражавшим документы Microsoft Word был DMV созданный в декабре

1994 года Дж МакНамарой для демонстрации возможности создания макровирусов

Первым же вирусом попавшим в дикую природу и вызвавшим первую в мире

эпидемию макровирусов (это произошло в июле-августе 1995 г) был Concept

12 августа 2009 года суд штата Техас запретил продажу программы Word на территории

США в связи с тем что Microsoft незаконно использует метод чтения XML-файлов

патент на который принадлежит канадской компании i4i [3]

В 1982 году Microsoft запустила на рынок первый электронный табличный процессор

Multiplan который был очень популярен на CPM системах но на MS-DOS системах он

уступал Lotus 1-2-3 Первая версия Excel предназначалась для Mac и была выпущена в

1985 году а первая версия для Windows была выпущена в ноябре 1987 года Lotus не

торопилась выпускать 1-2-3 под Windows и Excel с 1988 года начала обходить по

продажам 1-2-3 что в конечном итоге помогло Microsoft достичь позиций ведущего

разработчика программного обеспечения Microsoft укрепляла свое преимущество с

выпуском каждой новой версии что имело место примерно каждые два года Текущая

версия для платформы Windows mdash Excel 12 также известная как Microsoft Office Excel

2007 Текущая версия для платформы Mac OS X mdash Microsoft Excel 2008

В начале своего пути Excel стал причиной иска о товарном знаке от другой компании уже

продававшей пакет программ под названием laquoExcelraquo В результате спора Microsoft был

обязана использовать название laquoMicrosoft Excelraquo во всех своих официальных пресс-

релизах и юридических документах Однако со временем эта практика была позабыта и

Microsoft окончательно устранила проблему приобретя товарный знак другой программы

Microsoft также решила использовать буквы XL как сокращенное название программы

иконка Windows-программы состоит из стилизованного изображения этих двух букв а

расширение файлов по умолчанию в Excel mdash xls В сравнении с первыми табличными

процессорами Excel представляет множество новых функций пользовательского

интерфейса но суть остается прежней как и в программе-родоначальнике VisiCalc

ячейки расставляются в строки и столбцы и могут содержать данные или формулы с

относительными или абсолютными ссылками на другие клетки

Excel был первым табличным процессором позволявшим пользователю менять внешний

вид таблицы (шрифты символы и внешний вид ячеек) Он также первым представил

метод умного пересчета ячеек когда обновляются только те ячейки которые зависят от

- 17 -

измененных ячеек (раньше табличные процессоры либо постоянно пересчитывали все

ячейки или ждали команды пользователя)

Будучи впервые объединенными в Microsoft Office в 1993 году Microsoft Word и Microsoft

PowerPoint получили новый графический интерфейс для соответствия Excel главного

стимула модернизации ПК в то время

Начиная с 1993 года в состав Excel входит Visual Basic для приложений (VBA) язык

программирования основанный на Visual Basic позволяющий автоматизировать задачи

Excel VBA является мощным дополнением к приложению и в более поздних версиях

Excel доступна полнофункциональная интегрированная среда разработки Можно создать

VBA-код повторяющий действия пользователя и таким образом автоматизировать

простые задачи VBA позволяет создавать формы для общения с пользователем Язык

поддерживает использование (но не создание) DLL от ActiveX более поздние версии

позволяют использовать элементы объектно-ориентированного программирования

Функциональность VBA делала Excel легкой мишенью для макровирусов И это было

серьезной проблемой до тех пор пока антивирусные продукты не научились

обнаруживать их Фирма Microsoft с опозданием приняв меры для уменьшения риска

добавила возможность выбора режима безопасности

Идея PowerPoint появилась у Боба Гаскинса (Bob Gaskins) студента университета Беркли

который решил что наступает век графических интерактивных материалов В 1984 году

Гаскинс присоединился к провальной компании Forethought и нанял разработчика

Денниса Остина (Dennis Austin) Боб и Деннис объединили усилия и создали программу

Presenter Деннис создал оригинальную версию программы с Томом Рудкиным (Tom

Rudkin) Позже Боб решил сменить имя на PowerPoint которое и стало названием

конечного продукта

В 1987 году вышел PowerPoint 10 для Apple Macintosh Он работал в черно-белом цвете

Вскоре появились цветные Macintosh и новая версия PowerPoint не заставила себя ждать

Программное руководство с первой редакцией было уникально Это была книга синего

цвета в твердом переплете Компания Forethought считала что это лучше чем куча

исполняемых файлов помощи на компьютере и инструкций в электронном виде Но

обновление инструкции было необоснованно дорого Идея с подобными книгами была

вскоре заброшена

Позже в 1987 году Forethought и ее продукт были куплены Microsoft за 14 млн $ В 1990

году вышла версия для Windows C 1990 года PowerPoint стал стандартом в наборе

программ Microsoft Office

В 2002 году вышла версия PowerPoint которая не только была включена в пакет Microsoft

Office XP но также распространялась как отдельный продукт В нем появились такие

функции как сравнение и смешение изменений в презентации возможность задавать пути

анимации для индивидуальных форм создание пирамидальных радиальных и целевых

диаграмм а также кругов Эйлера панель задач для просмотра и выбора объектов буфера

обмена защита презентации паролем автоматическая генерация фотоальбома а также

―умные теги для быстрого выбора формата текста скопированного в презентацию

Microsoft PowerPoint 2003 не сильно отличается от предшественника Он увеличивает

эффективность работы в группе и теперь имеет возможность создания ―Пакета для CD

- 18 -

который легко позволяет скопировать презентацию с мультимедийным содержанием и

просмотрщик на компакт диск

Текущая версия Power Point 2007 привносит основные изменения в интерфейс программы

и увеличивает графические возможности

PowerPoint является частью Microsoft Office Это позволило PowerPoint стать наиболее

распространенной во всем мире программой для создания презентаций Файлы

презентаций PowerPoint часто пересылаются пользователями программы на другие

компьютеры что означает необходимую совместимость с ними программ конкурентов

Однако поскольку Power Point имеет возможность подключения элементов других

приложений через OLE некоторые презентации становятся сильно привязанными к

платформе Windows что делает невозможным открытие данных файлов например в

версии для Mac OS Это привело к переходу на открытые стандарты такие как PDF и

OASIS OpenDocument

Глава 4 АЛГОРИТМИЗАЦИЯ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

41 Структурный подход к разработке алгоритмов и программ

42 Основные структуры и операторы VBA

43 Примеры на VBA

- 19 -

Глава 5ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ

Компьютерные сети

Понятие компьютерной сети

Компьютерная сеть (Computer Network) ndash это множество компьютеров соединенных

линиями связи и работающих под управлением специального программного обеспечения

Под линией связи обычно понимают совокупность технических устройств и

физической среды обеспечивающих передачу сигналов от передатчика к приемнику В

реальной жизни примерами линий связи могут служить участки кабеля и усилители

обеспечивающие передачу сигналов между коммутаторами телефонной сети На основе

линий связи строятся каналы связи

Каналом связи обычно называют систему технических устройств и линий связи

обеспечивающую передачу информации между абонентами Соотношение между

понятиями канал и линия описывается следующим образом канал связи может

включать в себя несколько разнородных линий связи а одна линия связи может

использоваться несколькими каналами

Главной целью объединения компьютеров в сеть является предоставление пользователям

возможности доступа к различным информационным ресурсам (например документам

программам базам данных и тд) распределенным по этим компьютерам и их

совместного использования

Важной характеристикой любой компьютерной сети является широта территории

которую она охватывает Широта охвата определятся взаимной удаленностью

компьютеров составляющих сеть и следовательно влияет на технологические решения

выбираемые при построении сети Классически выделяют два типа сетей локальные сети

и глобальные сети

К локальным сетям (Local Area Network LAN) обычно относят сети компьютеры

которых сосредоточены на относительно небольших территориях (как правило в радиусе

до 1-2 км) Классическим примером локальных сетей является сеть одного предприятия

расположенного в одном или нескольких стоящих рядом зданиях Небольшой размер

локальных сетей позволяет использовать для их построения достаточно дорогие и

высококачественные технологии что обеспечивает высокую скорость обмена

информацией между компьютерами

Глобальные сети (Wide Area Network WAN) ndash это сети предназначенные для

объединения отдельных компьютеров и локальных сетей расположенных на

значительном удалении (сотни и тысячи километров) друг от друга Поскольку

организация специализированных высококачественных каналов связи большой

протяженности является достаточно дорогой то в глобальных сетях нередко

используются уже существующие и изначально не предназначенные для построения

компьютерных сетей линии (например телефонные или телеграфные) В связи с этим

скорость передачи данных в таких сетях существенно ниже чем в локальных

Независимо от того какую территорию покрывает сеть какие технологические решения

лежат в основе ее организации существуют общие принципы сетевого взаимодействия

которым должно подчиняться функционирование сети Именно выработка таких общих

- 20 -

принципов способствовала в свое время появлению Интернет (Internet) как объединенной

сети (иногда даже используется термин гиперсеть) собравшей в своем составе

локальные городские и глобальные сети всей планеты

Модель сетевого взаимодействия

В 1984 году Международной Организацией по Стандартизации (International Standard

Organization ISO) была разработана модель взаимодействия открытых систем (Open

Systems Interconnection OSI) Модель представляет собой международный стандарт для

проектирования сетевых коммуникаций и предполагает уровневый подход к построению

сетей Каждый уровень модели обслуживает различные этапы процесса взаимодействия

Посредством деления на уровни сетевая модель OSI упрощает совместную работу

оборудования и программного обеспечения Модель OSI разделяет сетевые функции на

семь уровней прикладной уровень представления сессионный транспортный сетевой

канальный и физический

Физический уровень (Physical layer) определяет способ физического соединения

компьютеров в сети Функциями средств относящихся к данному уровню являются

побитовое преобразование цифровых данных в сигналы передаваемые по физической

среде (например по кабелю) а также собственно передача сигналов

Канальный уровень(Data Link layer) отвечает за организацию передачи данных между

абонентами через физический уровень поэтому на данном уровне предусмотрены

средства адресации позволяющие однозначно идентифицировать отправителя и

получателя во всем множестве абонентов подключенных к обще линии связи В функции

данного уровня также входит упорядочивание передачи с целью параллельного

использования одной линии связи несколькими парами абонентов Кроме того средства

канального уровня обеспечивают проверку ошибок которые могут возникать при

передаче данных физическим уровнем

Сетевой уровень(Network layer) обеспечивает доставку данных между компьютерами

сети представляющей собой объединение различных физических сетей Данный уровень

предполагает наличие средств логической адресации позволяющих однозначно

- 21 -

идентифицировать компьютер в объединенной сети Одной из главных функций

выполняемых средствами данного уровня является целенаправленная передача данных

конкретному получателю

Транспортный уровень(Transport layer) реализует передачу данных между двумя

программами функционирующими на разных компьютерах обеспечивая при этом

отсутствие потерь и дублирования информации которые могут возникать в результате

ошибок передачи нижних уровней В случае если данные передаваемые через

транспортный уровень подвергаются фрагментации то средства данного уровня

гарантируют сборку фрагментов в правильном порядке

Сессионный (или сеансовый) уровень (Session layer) позволяет двум программам

поддерживать продолжительное взаимодействие по сети называемое сессией (session)

или сеансом Этот уровень управляет установлением сеанса обменом информацией и

завершением сеанса Он также отвечает за идентификацию позволяя тем самым только

определенным абонентам принимать участие в сеансе и обеспечивает работу служб

безопасности с целью упорядочивания доступа к информации сессии

Уровень представления(Presentation layer) осуществляет промежуточное

преобразование данных исходящего сообщения в общий формат который предусмотрен

средствами нижних уровней а также обратное преобразование входящих данных из

общего формата в формат понятный получающей программе

Основные принципы уровневого взаимодействия

При уровневой организации процесса взаимодействия должны соблюдаться следующие

требования

компоненты одного уровня одной системы могут взаимодействовать с

компонентами только того же уровня другой системы

в рамках одной системы компоненты какого-либо уровня могут взаимодействовать

только с компонентами смежных (вышележащего и нижележащего) уровней

Набор правил определяющих порядок взаимодействия средств относящихся к одному и

тому же уровню и функционирующих в разных системах называется протоколом

(protocol) Правила взаимодействия между собой средств относящихся к смежным

уровням и функционирующих в одной системе называются интерфейсом (interface)

Функции физического уровня

Физический уровень определяет способ физического соединения компьютеров в сети

Основными функциями средств относящихся к данному уровню является побитовое

преобразование цифровых данных в сигналы среды передачи а также собственно

передача сигналов по физической среде

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно распространение

информационных сигналов в виде электрических световых и тп импульсов В настоящее

время выделяют два основных типа физических соединений соединения с помощью

кабеля и беспроводные соединения

- 22 -

Кабель (cable) используемый для построения компьютерных сетей представляет собой

сложную конструкцию состоящую в общем случае из проводников изолирующих и

экранирующих слоев В современных сетях используются три типа кабеля

Каждый тип кабеля отличается от других внутренним устройством и обладает целым

набором технических характеристик влияющих на основные потребительские параметры

сетей

Тип кабеля Характеристика

Максимальное

расстояние передачи

Максимальная

скорость передачи

Коаксиальный

кабель 185 ndash 500 м 10 Мбитс

Витая пара 30 ndash 100 м 10 Мбитс ndash 1

Гбитс

Оптоволоконный

кабель 2 км

10 Мбитс ndash 2

Гбитс

Топология сети - способ соединения компьютеров с помощью физической среды

Если сеть состоит всего из двух компьютеров то они соединяются напрямую Такой

способ соединения получил название точка-точка (point-to-point)

Выделяют три базовые топологии Шина (bus) Кольцо (ring) Звезда(star)

laquoШинаraquo - использует один передающий канал на базе коаксиального кабеля называемый

шиной Все сетевые компьютеры присоединяются напрямую к шине На концах кабеля-

шины устанавливаются специальные заглушки - терминаторы (terminator) Они

необходимы для того чтобы погасить сигнал после прохождения по шине К недостаткам

топологии Шина следует отнести следующее

данные предаваемые по кабелю доступны всем подключенным компьютерам

в случае повреждения шины вся сеть перестает функционировать

laquoКольцоraquo - характерно отсутствие конечных точек соединения сеть замкнута образуя

неразрывное кольцо по которому передаются данные Эта топология подразумевает

следующий механизм передачи данные передаются последовательно от одного

компьютера к другому пока не достигнут компьютера-получателя Недостатки топологии

кольцо те же то и у топологии шина

общедоступность данных

неустойчивость к повреждениям кабельной системы

В сети с топологией звезда все компьютеры соединены со специальным устройством

называемым сетевым концентратором или хабом (hub) который выполняет функции

- 23 -

распределения данных Прямые соединения двух компьютеров в сети отсутствуют

Благодаря этому имеется возможность решения проблемы общедоступности данных а

также повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы Однако

функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора

Канальный уровень - отвечает за организацию передачи данных между абонентами

через физический уровень поэтому на данном уровне предусмотрены средства адресации

позволяющие однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к общему физическому каналу В функции данного

уровня также входит упорядочивание передачи с целью обеспечения возможности

параллельного использования одного физического канала несколькими парами абонентов

Средства канального уровня обеспечивают проверку ошибок которые могут возникать

при передаче данных физическим уровнем Большинство функций канального уровня

выполняются устройствами передачи данных (например сетевым адаптером)

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена способ

представления информации а также необходимый набор правил позволяющий

упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток битов Перед

передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с принципом пакетной

коммутации разделяется на порции каждая из которых снабжается заголовком

содержащим некоторую служебную информацию те формируется пакет На канальном

уровне пакет называется кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает протокол Сложность

канальных протоколов во многом определяется сложностью топологии сети Очевидно

что организовать общение всего двух абонентов существенно проще чем упорядочивать

информационный обмен в сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких

пар абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Сетевой уровень - сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

- 24 -

адресации определенных различными технологиями Поэтому для обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого уровня модели OSI Устройства этого уровня предназначенные для объединения сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку составной сети Процесс определения пути прохождения данных через подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название маршрутизаторов

Транспортный уровень Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных

между устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд) Однако

не следует забывать что на одном узле может функционировать параллельно несколько

программ которым требуется доступ к сети Следовательно данные внутри

компьютерной системы должны распределяться между программами Поэтому при

передаче данных по сети недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо

также идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является отсутствие средств

позволяющих передавать большие массивы данных Когда исходные данные превышают

максимально допустимый размер пакета сетевого уровня то эти данные должны быть

разбиты на порции каждая из которых передается в сеть отдельным пакетом Однако

каждый пакет сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других

блок данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и следовательно ndash

обнаружить нарушение целостности общего массива данных Поэтому средства

транспортного уровня обеспечивают отсутствие потерь информации Такой режим

передачи данных получил название гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой функциональную

надстройку над сетевым уровнем и решают две основных задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

- 25 -

обеспечение гарантированной доставки массивов данных произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash UDP

обеспечивающий негарантированную доставку данных между программами и TCP

обеспечивающий гарантированную доставку с установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной уровень - Компоненты четырех

нижних уровней модели OSI (физического канального сетевого и транспортного)

представляют собой механизм обеспечивающий доставку данных любого типа и

произвольного объема между программами работающими на разных узлах составной

сети Однако при работе в сети пользователям требуется не просто пересылка данных а

выполнение каких-либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех возможностей

которые предоставляют средства нижних уровней недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо просмотреть

документ расположенный не на его локальном компьютере а на удаленной машине

Решение такой задачи предполагает как минимум прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса содержащего имя

документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной машины

изменений вносимых в этот документ другими пользователями и уведомление об этом

пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав пользователя на

работу с документом что предполагает дополнительный обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних уровней не имеют

средств позволяющих реализовать специфику такого взаимодействия Поэтому для его

организации требуются дополнительные надстройки над средствами транспортного и

нижележащих уровней В эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный

уровень уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или сессии) при

длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое (виртуальное) соединение между

двумя программами в общем случае функционирующими на разных компьютерах В

простейшем случае установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти необходимых для

приема и передачи данных После окончания передачи данных происходит закрытие

соединения предполагающее освобождение выделенных ресурсов Во многих случаях

этого недостаточно поэтому сессионный уровень предлагает более сложные механизмы

для организации сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая поддержка

осуществляется путем периодической отправки специальных тестовых пакетов при

получении которых участник соединения должен ответить Возвращаясь к

предложенному выше примеру следует отметить что установление соединения при

работе с удаленным документом позволяет один раз перед началом работы проверить

- 26 -

права доступа пользователя а также один раз передать запрос с именем файла В случае

если бы соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог бы

уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться дополнительное

преобразование Например это необходимо в случае если взаимодействующие

программы используют различные способы кодировки текстовой информации или если

для обеспечения защиты информации требуется осуществлять шифрование данных

Обеспечение подобных промежуточных преобразований возложено на уровень

представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными уровнями Они

позволяют осуществлять работу с различными информационными ресурсами сети

например файлами или сообщениями электронной почты Естественно что различные

типы ресурсов в общем случае требуют различных методов обработки и в том числе

методов сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI является

прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции работы с конкретными

информационными объектами В предложенном выше примере (чтение удаленного

документа) к функциям прикладного протокола относятся формирование запросов на

получение документа проверка прав доступа а также определение порядка пересылки

файлов и уведомлений об изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами определяемых

протоколами прикладного уровня часть функций сессионного уровня и уровня

представления может оказаться избыточной поэтому при программной реализации три

верхних уровня обычно объединяются

Модель сетевого взаимодействия

В 1984 году Международной Организацией по Стандартизации (International

Standard Organization ISO) была разработана модель взаимодействия

открытых систем (Open Systems Interconnection OSI) Модель представляет

собой международный стандарт для проектирования сетевых коммуникаций

и предполагает уровневый подход к построению сетей Каждый уровень

модели обслуживает различные этапы процесса взаимодействия

Посредством деления на уровни сетевая модель OSI упрощает совместную

работу оборудования и программного обеспечения Модель OSI разделяет

сетевые функции на семь уровней прикладной уровень представления

сессионный транспортный сетевой канальный и физический

Ниже дается краткая характеристика уровней модели

Физический уровень (Physical layer) определяет способ физического

соединения компьютеров в сети Функциями средств относящихся к

данному уровню являются побитовое преобразование цифровых

- 27 -

данных в сигналы передаваемые по физической среде (например по

кабелю) а также собственно передача сигналов

Канальный уровень(Data Link layer) отвечает за организацию передачи

данных между абонентами через физический уровень поэтому на

данном уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к обще линии связи В функции

данного уровня также входит упорядочивание передачи с целью

параллельного использования одной линии связи несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем

Сетевой уровень(Network layer) обеспечивает доставку данных между

компьютерами сети представляющей собой объединение различных

физических сетей Данный уровень предполагает наличие средств

логической адресации позволяющих однозначно идентифицировать

компьютер в объединенной сети Одной из главных функций

выполняемых средствами данного уровня является целенаправленная

передача данных конкретному получателю

Транспортный уровень(Transport layer) реализует передачу данных

между двумя программами функционирующими на разных

компьютерах обеспечивая при этом отсутствие потерь и дублирования

информации которые могут возникать в результате ошибок передачи

нижних уровней В случае если данные передаваемые через

транспортный уровень подвергаются фрагментации то средства

данного уровня гарантируют сборку фрагментов в правильном

порядке

Сессионный (или сеансовый) уровень (Session layer) позволяет двум

программам поддерживать продолжительное взаимодействие по сети

называемое сессией (session) или сеансом Этот уровень управляет

установлением сеанса обменом информацией и завершением сеанса

Он также отвечает за идентификацию позволяя тем самым только

определенным абонентам принимать участие в сеансе и обеспечивает

работу служб безопасности с целью упорядочивания доступа к

информации сессии

Уровень представления(Presentation layer) осуществляет

промежуточное преобразование данных исходящего сообщения в

общий формат который предусмотрен средствами нижних уровней а

также обратное преобразование входящих данных из общего формата в

формат понятный получающей программе

Прикладной уровень (Application layer) предоставляет

высокоуровневые функции сетевого взаимодействия такие как

передача файлов отправка сообщений по электронной почте и тп

Основные принципы уровневого взаимодействия

- 28 -

При уровневой организации процесса взаимодействия должны соблюдаться

следующие требования

компоненты одного уровня одной системы могут взаимодействовать с

компонентами только того же уровня другой системы

в рамках одной системы компоненты какого-либо уровня могут

взаимодействовать только с компонентами смежных (вышележащего и

нижележащего) уровней

Порядок уровневого взаимодействия

Набор правил определяющих порядок взаимодействия средств относящихся

к одному и тому же уровню и функционирующих в разных системах

называется протоколом (protocol) Правила взаимодействия между собой

средств относящихся к смежным уровням и функционирующих в одной

системе называются интерфейсом (interface)

Практическая реализация уровневого взаимодействия

На практике протоколы и интерфейсы регламентируют технические

требования предъявляемые к программным и аппаратным средствам

Программные (аппаратные) модули предназначенные для обеспечения

практического взаимодействия определяемого тем или иным протоколом

(или интерфейсом) обычно называют реализацией протокола (или

интерфейса)

Хотя различные компоненты относящиеся к различным уровням сетевой

модели формально должны быть функционально независимыми друг от

друга при практической разработке протоколов такая независимость не

всегда выдерживается Это объясняется тем что попытка добиться точного

соответствия эталонной модели может привести к неэффективности работы

программно-аппаратного обеспечения реализующего протокол В настоящее

время наблюдается два типа отклонений возникающих при реализации

уровневого взаимодействия

- 29 -

функции некоторых уровней могут объединяться одним протоколом и

наоборот ndash функции одного уровня могут делиться между различными

протоколами

функционирование протокола какого-либо уровня подразумевают

использование только определенных протоколов нижележащего

уровня

Поэтому разработка практических методов сетевого взаимодействия как

правило подразумевает разработку не отдельных протоколов а целых

наборов протоколов Такие наборы обычно включают в себя протоколы

относящиеся к нескольким смежным уровням эталонной модели OSI и

называются стеками (или семействами наборами) протоколов (protocol stack

protocol suite) Наиболее известным стеком протоколов обеспечивающим

взаимодействие в сети Интернет является стек протоколов TCPIP

Физический уровень

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Среда передачи

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Физический уровень определяет способ физического соединения

компьютеров в сети Основными функциями средств относящихся к

данному уровню является побитовое преобразование цифровых данных в

сигналы среды передачи а также собственно передача сигналов по

физической среде

Кабельные системы

- 30 -

Кабель (cable) используемый для построения компьютерных сетей

представляет собой сложную конструкцию состоящую в общем случае из

проводников изолирующих и экранирующих слоев В современных сетях

используются три типа кабеля

Еще одним важным понятием физического уровня является способ

соединения компьютеров с помощью физической среды или топология сети

Если сеть состоит всего из двух компьютеров то они соединяются

напрямую Такой способ соединения получил название точка-точка

(point-to-point)

Соединение типа точка-точка

Для обеспечения связи более чем двух компьютеров может использоваться

последовательность соединений типа точка-точка

Последовательность соединений типа точка-точка

Однако такой подход требует установки на большую часть компьютеров

нескольких устройств передачи данных

В качестве альтернативного подхода возможно использование более

сложных топологий позволяющих подключить к общей среде сразу

несколько компьютеров имеющих по одному устройству передачи данных

- 31 -

Выделяют три базовые топологии Шина (bus) Кольцо (ring)

Звезда(star)

Топология laquoШинаraquo

Топология Шина

Эта топология использует один передающий канал на базе коаксиального

кабеля называемый шиной Все сетевые компьютеры присоединяются

напрямую к шине На концах кабеля-шины устанавливаются специальные

заглушки - терминаторы (terminator) Они необходимы для того чтобы

погасить сигнал после прохождения по шине К недостаткам топологии

Шина следует отнести следующее

данные предаваемые по кабелю доступны всем подключенным

компьютерам

в случае повреждения шины вся сеть перестает функционировать

Топология laquoКольцоraquo

Топология Кольцо

Для топологии кольцо характерно отсутствие конечных точек соединения

сеть замкнута образуя неразрывное кольцо по которому передаются данные

Эта топология подразумевает следующий механизм передачи данные

передаются последовательно от одного компьютера к другому пока не

- 32 -

достигнут компьютера-получателя Недостатки топологии кольцо те же то

и у топологии шина

общедоступность данных

неустойчивость к повреждениям кабельной системы

Топология laquoЗвездаraquo

Топология Звезда

В сети с топологией звезда все компьютеры соединены со специальным

устройством называемым сетевым концентратором или хабом (hub)

который выполняет функции распределения данных Прямые соединения

двух компьютеров в сети отсутствуют Благодаря этому имеется

возможность решения проблемы общедоступности данных а также

повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы Однако

функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора

Физическая и логическая топологии

Следует отметить что термин топология может употребляться для

обозначения двух понятий ndash физической топологии и логической топологии

Физическая топология ndash способ физического соединения компьютеров с

помощью среды передачи например участками кабеля Логическая

топология определяет маршруты передачи данных в сети Во многих

случаях физическая топология однозначно определяет логическую

топологию Однако существуют такие конфигурации в которых логическая

топология отличается от физической Например сеть с физической

- 33 -

топологией laquoзвездаraquo может иметь логическую топологию laquoшинаraquo ndash все

зависит от того каким образом устроен сетевой концентратор

Кодированиедекодирование данных Как известно данные обрабатываемые

компьютером представляются в двоичном виде - как последовательность

нулей и единиц Однако понятия нуль и единица являются логическими

понятиями обозначающими электрические сигналы отличающиеся друг от

друга физическими параметрами и использующиеся для представления

информации в различных устройствах например оперативной памяти или

центральном процессоре В силу различных технических причин эти сигналы

не всегда могут передаваться по физическим каналам связи Поэтому они

должны быть преобразованы Процесс преобразования сигналов удобных

для компьютера в сигналы которые могут быть переданы по сети

называется физическим кодированием а обратное преобразование -

декодированием

Передача сигналов Информационные сигналы передаются по физическим

линиям связи последовательно В случае если между передающей и

принимающей сторонами параллельно существуют более одной линии

например проложено несколько кабелей то оказывается возможным

одновременно (параллельно) передавать несколько сигналов Если эти

сигналы представляют различные биты передаваемых данных то

повышается скорость информационного обмена Если же сигналы

представляют один и тот же бит данных - то повышается надежность

взаимодействия

Канальный уровень

Канальный уровень отвечает за организацию передачи данных

между абонентами через физический уровень поэтому на данном

уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к общему физическому

каналу В функции данного уровня также входит упорядочивание

передачи с целью обеспечения возможности параллельного

использования одного физического канала несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем Большинство функций канального уровня

выполняются устройствами передачи данных (например сетевым

- 34 -

адаптером)

Метод коммутации

дной из центральных проблем организации передачи данных по физическим

каналам является проблема параллельного использования одного и того же

канала несколькими парами абонентов Методы лежащие в основе ее

решения получили название методов коммутации

В настоящее время существует два основных метода коммутации

коммутация каналов и коммутация пакетов

Коммутация каналов предполагает что перед началом передачи данных

должна быть выполнена процедура установления соединения в результате

которой образуется составной канал По окончании сеанса связи соединение

разрывается и канал освобождается Классическим примером реализации

коммутации каналов является телефонная связь которая подразумевает что

абонент перед началом разговора набирает номер второго абонента в

результате чего последовательное переключение промежуточных

коммутаторов позволяет образовать непрерывный канал связи между

абонентами Коммутация каналов удобна для организации линий связи в

которых подразумевается передача потоков данных постоянной

интенсивности например таких как телефонный разговор в силу чего этот

метод оказывается недостаточно гибким при построении компьютерных

сетей

Метод коммутации пакетов основан на разбиении передаваемых по сети

данных на небольшие порции Каждая такая порция передается по сети

как единое целое и называется пакетом Такой метод является очень

удобным для параллельного использования физического канала несколькими

парами абонентов канал является занятым только во время прохождения

пакета Временные промежутки между передачей пакетов одним абонентам

могут быть использованы другими для отправки собственных пакетов

Пакет обычно состоит из двух частей ndash заголовка содержащего служебные

данные необходимые для управления доставкой пакета и собственно

данных подлежащих передаче Порядок обмена пакетами а также

конкретный состав заголовка пакетов определяется сетевым протоколом

Для именования пакетов различных уровней модели OSI используются

специальные термины Для канального уровня используется термин кадр

для сетевого ndash пакет для транспортного ndash сегмент дейтаграмма для

сессионного и более высоких уровней ndash сообщение

- 35 -

Протоколы канального уровня

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена

способ представления информации а также необходимый набор правил

позволяющий упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток

битов Перед передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с

принципом пакетной коммутации разделяется на порции каждая из

которых снабжается заголовком содержащим некоторую служебную

информацию те формируется пакет На канальном уровне пакет называется

кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает

протокол Сложность канальных протоколов во многом определяется

сложностью топологии сети Очевидно что организовать общение всего двух

абонентов существенно проще чем упорядочивать информационный обмен в

сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких пар

абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Структура кадра данных

Состав заголовка кадра зависит от многих факторов определяемых набором

функций которые выполняет протокол Тем не менее можно выделить ряд

информационных полей которые обычно присутствуют в заголовке кадра К

таким полям относятся

1 Специальные поля предназначенные для определения границ кадров

Поскольку в физической среде могут постоянно проходить какие-либо

сигналы то сетевые адаптеры должны уметь разбираться в том когда

начинается передача кадра и когда она заканчивается

2 Поле предназначенное для определения протокола сетевого уровня

которому необходимо передать данные Так как на одном компьютере могут

функционировать программные модули различных протоколов сетевого

уровня то протоколы канального уровня должны уметь распределять данные

по этим протоколам

3 Контрольная сумма (или специальный код) содержимого кадра которая

позволяет принимающей стороне определить наличие ошибок в принятых

данных Принцип ее использования состоит в следующем Сетевой адаптер

отправляющего компьютера после формирования кадра вычисляет значение

- 36 -

его контрольной суммы на основе содержимого и помещает это значение в

заголовок кадра Принимающая сторона также вычисляет контрольную

сумму полученного кадра и сравнивает его со значением помещенным в

заголовке Если они не совпадают то это означает что во время передачи

кадра произошла ошибка

4 Поля предназначенные для адресации абонентов в сложных сетях

(определены для протоколов применяемых в сетях базирующихся на

сложных топологиях)

Обобщенная структура кадра данных

Протоколы для сетей сложных топологий

Протоколы канального уровня этой группы являются более сложными чем

протоколы использующиеся в сетях типа точка-точка так как вынуждены

выполнять ряд дополнительных функций Основными функциями являются

Выделение на всем множестве компьютеров подключенных к сети

конкретного абонента с которым осуществляется информационный обмен

то есть адресация

Адресация абонентов

Упорядочивание доступа к среде передачи в случае когда нескольким парам

абонентов требуется осуществить передачу данных

Для обеспечения адресации абонентов в заголовке кадров должны

присутствовать следующие поля

- 37 -

1 Адрес отправителя ndash некоторое число (или набор чисел) позволяющее

идентифицировать сетевой адаптер (а следовательно и компьютер в

котором она установлена) который осуществил передачу кадра данных в

сеть Адреса присваиваются сетевым адаптерам на заводе-изготовителе и

как правило не изменяются в дальнейшем хотя большинство современных

адаптеров позволяют перепрограммировать сетевой адрес

Протоколы канального уровня и сетевые технологии

Функциональный состав того или иного протокола канального уровня во

многом определяется особенностями физического уровня например

топологией сети или типом среды передачи Поэтому при проектировании

сетевого взаимодействия используются и разрабатываются комплексные

стандарты получившие название сетевых технологий

Сетевая технология ndash это набор стандартов определяющий минимальный

состав программно-аппаратных средств достаточный для организации

взаимодействия компьютеров в сети Как правило сетевая технология

определяет топологию сети а также протокол канального уровня (формат

кадра порядок обмена кадрами MTU)

В настоящее время существует большое количество сетевых технологий и

соответственно определяемых ими протоколов канального уровня

Рассмотрим для примера одну из наиболее популярных в настоящее время

технологий ndash технологию локальных сетей Ethernet Эта технология

предполагает что сеть должна строиться на основе физических топологий

шина если используется коаксиальный кабель или звезда если

используется кабель типа витая пара В зависимости от типа используемого

кабеля скорость передачи данных лежит в диапазоне 10-100 Мбитс В

качестве метода доступа к среде передачи используется метод обнаружения

коллизий (CSMACD) Что касается формата кадра то в настоящее время на

практике используются 4 варианта кадров Ethernet отличающихся друг от

друга но все они согласуются с общими положениями изложенными ранее

Максимальный объем данных передаваемых в одном кадре (MTU) в

технологии Ethernet не может превышать 1500 байт

Помимо технологии Ethernet в настоящее время в локальных сетях широко

используются технологии AppleTalk FDDI и ATM В глобальных сетях

широко распространены технологии ATM FrameRelay ISDN и SMDS

Существует также ряд технологий использующихся для организации

беспроводных сетей Наиболее популярной технологией применяемой при

- 38 -

построении локальных сетей в настоящее время является технология

RadioEthernet Она предполагает передачу данных в двух УКВ-диапазонах

около 915 МГЦ и 2400-24835 МГц а также в инфракрасном спектре

Диапазон 915 МГц в России и Европе достаточно сильно загружен

средствами связи (сотовая телефония) поэтому он используется как

правило для организации сетей внутри зданий хотя технически позволяет

осуществлять передачу на значительные расстояния Это же ограничение

распространяется и на инфракрасный диапазон поскольку инфракрасные

лучи чувствительны к погодным условиям В зависимости от того какой

режим передачи используется сети RadioEthernet позволяют осуществлять

передачу данных со скоростью 2 - 10 Мбитс Технология RadioEthernet

предполагает построение сетей на базе топологий точка-точка и звезда В

качестве метода доступа используется метод предупреждения коллизий

(CSMACA)

Наряду с кабельными и беспроводными технологиями существуют также

технологии предполагающие комбинирование различных типов физической

среды передачи Обычно они применяются для построения асимметричных

сетей небольшие по объему запросы пользовательских компьютеров

передаются по кабельным каналам например с использованием телефонных

линий и модемов а прием осуществляется через спутниковый радиоканал

Объединение сетей на канальном уровне

Сложные сети в общем случае представляют собой совокупность

нескольких сетей Такие сети называются объединенными сетями

(internetwork)

Необходимость объединения сетей может быть вызвана разными причинами

Прежде всего это - преодоление технических ограничений среды передачи

например максимального расстояния передачи данных Кроме того

построение сети как объединенной позволяет повысить надежность (выход

из строя одной физической среды не влияет на работу остальных) и

обеспечить определенный уровень конфиденциальности (данные

передаваемые между компьютерами одной физической среды оказываются

недоступными компьютерам других сетей)

Для построения объединенных сетей требуются специальные устройства

которые позволяют подключать к себе две (или более) сети Наиболее

простым устройством такого вида является мост (bridge)

Мост

- 39 -

Принцип функционирования моста достаточно прост для подключения сетей

мост располагает несколькими портами с каждым из которых связываются

записи так называемой адресной таблицы содержащей список адресов

компьютеров сетей подключенных к мосту Когда мост получает кадр

данных то он передает его в сеть через порт который согласно таблице

соответствует адресу получателя В случае если адрес получателя не

обнаружен в адресной таблице то кадр передается во все сети Адресные

таблицы мостов как правило строятся на основе анализа кадров

передаваемых по сетям

Функции сетевого уровня

Сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе

различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне

достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети

но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети

с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это

объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

адресации определенных различными технологиями Поэтому для

обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства

представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую

абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых

технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого

уровня модели OSI

Очевидно что устройства этого уровня предназначенные для объединения

сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального

уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную

передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть

определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку

составной сети Процесс определения пути прохождения данных через

подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства

объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название

маршрутизаторов

- 40 -

Протокол IP

Протокол IP (Internet Protocol) входит в состав стека протоколов TCPIP и

является основным протоколом сетевого уровня использующимся в

Интернет и обеспечивающим единую схему логической адресации устройств

в сети и маршрутизацию данных

Для выполнения своих функций протокол определяет свой собственный

формат пакета Основными информационными полями заголовка пакета

являются

IP-адреса отправителя и получателя ndash предназначены для

идентификации отправителя и получателя (см IP-адресация)

Время жизни пакета (Time To Live TTL) - определяет время которое

IP-пакет может находиться в сети и предназначено для

предотвращения захламления сети заблудившимися пакетами

поля предназначенные для фрагментации пакетов (см IP-

фрагментация)

поля предназначенные для управления обработкой пакета (длина

пакета и заголовка контрольная сумма заголовка тип обслуживания и

тд)

Существует 5 классов IP-адресов ndash A B C D E Принадлежность IP-

адреса к тому или иному классу определяется значением первого

октета (W) Ниже показано соответствие значений первого октета и

классов адресов

Класс IP-адреса A B C D E

Диапазон первого

октета

1-

126

128-

191

192-

223

224-

239

240-

247

IP-адреса первых трех классов предназначены для адресации

отдельных узлов и отдельных сетей Такие адреса состоят из двух

частей ndash номера сети и номера узла Такая схема аналогична схеме

почтовых индексов ndash первые три цифры кодируют регион а остальные

ndash почтовое отделение внутри региона

Преимущества двухуровневой схемы очевидны она позволяет во-

первых адресовать целиком отдельные сети внутри составной сети

что необходимо для обеспечения маршрутизации а во-вторых ndash

присваивать узлам номера внутри одной сети независимо от других

сетей Естественно что компьютеры входящие в одну и ту же сеть

должны иметь IP-адреса с одинаковым номером сети

- 41 -

IP-Маршрутизация ndash процесс выбора пути для передачи пакета в сети Под

путем (маршрутом) понимается последовательность маршрутизаторов через

которые проходит пакет по пути к узлу-назначению IP-маршрутизатор ndash это

специальное устройство предназначенное для объединения сетей и

обеспечивающее определение пути прохождения пакетов в составной сети

Маршрутизатор должен иметь несколько IP-адресов с номерами сетей

соответствующими номерам объединяемых сетей

Как известно для разных сетевых технологий значение MTU определенное

для кадров данных может отличаться Поэтому при преобразовании кадров

на маршрутизаторе может потребоваться разделение вложенных в них IP-

пакетов на более мелкие пакеты

Для разделения пакетов на фрагменты модуль IP установленный на

маршрутизаторе создает на его основе некоторое число новых пакетов (в

соответствии с длиной исходного пакета и значения MTU для сети куда

должны быть переданы данные) Для того чтобы данные могли быть

правильно собраны получателем в заголовки новых IP-пакетов помещается

специальный числовой идентификатор позволяющий однозначно

определить что эти пакеты являются фрагментами одного большого пакета

Кроме того в заголовках также указывается положения фрагментов в

исходном пакете что позволяет обеспечить правильный порядок сборки

получателем

Вспомогательные протоколы сетевого уровня стека TCPIP

Главными функциями протокола IP является обеспечение единой схемы

адресации независимой от принципов адресации определяемых сетевыми

технологиями (адресацией канального уровня) а также передача данных по

составной сети (маршрутизация и фрагментация пакетов) Однако для

организации реального взаимодействия этого оказывается недостаточно -

существует еще ряд проблем

Первая проблема состоит в следующем Для того чтобы передать данные по

сети программное обеспечение протокола IP создает пакет и передает его

средствам канального уровня При этом средствам канального уровня для

формирования кадра данных необходим адрес получателя причем не

логический IP-адрес а MAC-адрес который может быть правильно опознан

сетевым адаптером принимающего компьютера Однако спецификацией

протокола IP не предусмотрен механизм позволяющий определять

соответствие между аппаратными и IP-адресами Эту функцию выполняет

вспомогательный протокол сетевого уровня ARP (Address Resolution

Protocol) входящий в семейство протоколов TCPIP

- 42 -

Другая серьезная проблема состоит в том что если при обработке IP-пакета

на маршрутизаторе возникли какие-то проблемы например истекло время

жизни пакета то отправитель о них не узнает поскольку механизм

обратной связи также не предусмотрен спецификацией протокола IP Для

решения этой проблемы используется специальный протокол сетевого

уровня ICMP (Internet Control Message Protocol) входящий в стек протоколов

TCPIP и обеспечивающий передачу управляющей информации и

информации об ошибках

В семействе протоколов TCPIP предусмотрен также ряд других

вспомогательных протоколов например протоколы динамической

маршрутизации обеспечивающие обмен информацией между

маршрутизаторами с целью автоматизации построения таблиц

маршрутизации

Транспортный уровень

Функции транспортного уровня

Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных между

устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд)

Однако не следует забывать что на одном узле может функционировать

параллельно несколько программ которым требуется доступ к сети

Следовательно данные внутри компьютерной системы должны

распределяться между программами Поэтому при передаче данных по сети

недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо также

идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является

отсутствие средств позволяющих передавать большие массивы данных

Когда исходные данные превышают максимально допустимый размер пакета

сетевого уровня то эти данные должны быть разбиты на порции каждая из

которых передается в сеть отдельным пакетом Однако каждый пакет

сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других блок

данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и

следовательно ndash обнаружить нарушение целостности общего массива

данных Поэтому средства транспортного уровня обеспечивают отсутствие

потерь информации Такой режим передачи данных получил название

гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой

- 43 -

функциональную надстройку над сетевым уровнем и решают две основных

задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

обеспечение гарантированной доставки массивов данных

произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash

UDP обеспечивающий негарантированную доставку данных между

программами и TCP обеспечивающий гарантированную доставку с

установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной

уровень

Компоненты четырех нижних уровней модели OSI (физического канального

сетевого и транспортного) представляют собой механизм обеспечивающий

доставку данных любого типа и произвольного объема между программами

работающими на разных узлах составной сети Однако при работе в сети

пользователям требуется не просто пересылка данных а выполнение каких-

либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех

возможностей которые предоставляют средства нижних уровней

недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо

просмотреть документ расположенный не на его локальном компьютере а

на удаленной машине Решение такой задачи предполагает как минимум

прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса

содержащего имя документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного

компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной

машины изменений вносимых в этот документ другими пользователями и

уведомление об этом пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав

пользователя на работу с документом что предполагает дополнительный

- 44 -

обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних

уровней не имеют средств позволяющих реализовать специфику такого

взаимодействия Поэтому для его организации требуются дополнительные

надстройки над средствами транспортного и нижележащих уровней В

эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный уровень

уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или

сессии) при длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое

(виртуальное) соединение между двумя программами в общем случае

функционирующими на разных компьютерах В простейшем случае

установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти

необходимых для приема и передачи данных После окончания передачи

данных происходит закрытие соединения предполагающее освобождение

выделенных ресурсов Во многих случаях этого недостаточно поэтому

сессионный уровень предлагает более сложные механизмы для организации

сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая

поддержка осуществляется путем периодической отправки специальных

тестовых пакетов при получении которых участник соединения должен

ответить Возвращаясь к предложенному выше примеру следует отметить

что установление соединения при работе с удаленным документом позволяет

один раз перед началом работы проверить права доступа пользователя а

также один раз передать запрос с именем файла В случае если бы

соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог

бы уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться

дополнительное преобразование Например это необходимо в случае если

взаимодействующие программы используют различные способы кодировки

текстовой информации или если для обеспечения защиты информации

требуется осуществлять шифрование данных Обеспечение подобных

промежуточных преобразований возложено на уровень представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными

уровнями Они позволяют осуществлять работу с различными

информационными ресурсами сети например файлами или сообщениями

электронной почты Естественно что различные типы ресурсов в общем

случае требуют различных методов обработки и в том числе методов

сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI

- 45 -

является прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции

работы с конкретными информационными объектами В предложенном выше

примере (чтение удаленного документа) к функциям прикладного протокола

относятся формирование запросов на получение документа проверка прав

доступа а также определение порядка пересылки файлов и уведомлений об

изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами

определяемых протоколами прикладного уровня часть функций сессионного

уровня и уровня представления может оказаться избыточной поэтому при

программной реализации три верхних уровня обычно объединяются

Page 14: - 3 - ВВЕДЕНИЕicm.muctr.ru/study/computers/inf001.pdf · 2016-08-25 · - 7 - А) Количество информации как мера уменьшения неопределенности

- 16 -

форматов файлов Word 97-2007 были опубликован Microsoft в 2008 году[1][2]

Ранее

большая часть информации нужной для работы с данным форматом добывалась

посредством обратного инжиниринга поскольку основная еѐ часть отсутствовала в

открытом доступе или была доступна лишь ограниченному числу партнеров и

контролирующих организаций

Как и прочие приложения из Microsoft Office Word может расширять свои возможности

посредством использования встроенного макроязыка (сначала использовался WordBasic с

версии Word 97 применяется VBA mdash Visual Basic для приложений) Однако это

предоставляет широкие возможности для написания встраиваемых в документы вирусов

(так называемые laquoмакровирусыraquo) Наиболее ярким примером была эпидемия червя

Melissa В связи с этим многие считают разумной рекомендацию всегда выставлять

наивысший уровень настроек безопасности при использовании Word (Меню

laquoToolsgtMacrogtSecurityraquo laquoСервисgtМакросgtБезопасностьhellipraquo в локализованных русских

версиях) Также нелишним будет использовать антивирусное программное обеспечение

Первым вирусом заражавшим документы Microsoft Word был DMV созданный в декабре

1994 года Дж МакНамарой для демонстрации возможности создания макровирусов

Первым же вирусом попавшим в дикую природу и вызвавшим первую в мире

эпидемию макровирусов (это произошло в июле-августе 1995 г) был Concept

12 августа 2009 года суд штата Техас запретил продажу программы Word на территории

США в связи с тем что Microsoft незаконно использует метод чтения XML-файлов

патент на который принадлежит канадской компании i4i [3]

В 1982 году Microsoft запустила на рынок первый электронный табличный процессор

Multiplan который был очень популярен на CPM системах но на MS-DOS системах он

уступал Lotus 1-2-3 Первая версия Excel предназначалась для Mac и была выпущена в

1985 году а первая версия для Windows была выпущена в ноябре 1987 года Lotus не

торопилась выпускать 1-2-3 под Windows и Excel с 1988 года начала обходить по

продажам 1-2-3 что в конечном итоге помогло Microsoft достичь позиций ведущего

разработчика программного обеспечения Microsoft укрепляла свое преимущество с

выпуском каждой новой версии что имело место примерно каждые два года Текущая

версия для платформы Windows mdash Excel 12 также известная как Microsoft Office Excel

2007 Текущая версия для платформы Mac OS X mdash Microsoft Excel 2008

В начале своего пути Excel стал причиной иска о товарном знаке от другой компании уже

продававшей пакет программ под названием laquoExcelraquo В результате спора Microsoft был

обязана использовать название laquoMicrosoft Excelraquo во всех своих официальных пресс-

релизах и юридических документах Однако со временем эта практика была позабыта и

Microsoft окончательно устранила проблему приобретя товарный знак другой программы

Microsoft также решила использовать буквы XL как сокращенное название программы

иконка Windows-программы состоит из стилизованного изображения этих двух букв а

расширение файлов по умолчанию в Excel mdash xls В сравнении с первыми табличными

процессорами Excel представляет множество новых функций пользовательского

интерфейса но суть остается прежней как и в программе-родоначальнике VisiCalc

ячейки расставляются в строки и столбцы и могут содержать данные или формулы с

относительными или абсолютными ссылками на другие клетки

Excel был первым табличным процессором позволявшим пользователю менять внешний

вид таблицы (шрифты символы и внешний вид ячеек) Он также первым представил

метод умного пересчета ячеек когда обновляются только те ячейки которые зависят от

- 17 -

измененных ячеек (раньше табличные процессоры либо постоянно пересчитывали все

ячейки или ждали команды пользователя)

Будучи впервые объединенными в Microsoft Office в 1993 году Microsoft Word и Microsoft

PowerPoint получили новый графический интерфейс для соответствия Excel главного

стимула модернизации ПК в то время

Начиная с 1993 года в состав Excel входит Visual Basic для приложений (VBA) язык

программирования основанный на Visual Basic позволяющий автоматизировать задачи

Excel VBA является мощным дополнением к приложению и в более поздних версиях

Excel доступна полнофункциональная интегрированная среда разработки Можно создать

VBA-код повторяющий действия пользователя и таким образом автоматизировать

простые задачи VBA позволяет создавать формы для общения с пользователем Язык

поддерживает использование (но не создание) DLL от ActiveX более поздние версии

позволяют использовать элементы объектно-ориентированного программирования

Функциональность VBA делала Excel легкой мишенью для макровирусов И это было

серьезной проблемой до тех пор пока антивирусные продукты не научились

обнаруживать их Фирма Microsoft с опозданием приняв меры для уменьшения риска

добавила возможность выбора режима безопасности

Идея PowerPoint появилась у Боба Гаскинса (Bob Gaskins) студента университета Беркли

который решил что наступает век графических интерактивных материалов В 1984 году

Гаскинс присоединился к провальной компании Forethought и нанял разработчика

Денниса Остина (Dennis Austin) Боб и Деннис объединили усилия и создали программу

Presenter Деннис создал оригинальную версию программы с Томом Рудкиным (Tom

Rudkin) Позже Боб решил сменить имя на PowerPoint которое и стало названием

конечного продукта

В 1987 году вышел PowerPoint 10 для Apple Macintosh Он работал в черно-белом цвете

Вскоре появились цветные Macintosh и новая версия PowerPoint не заставила себя ждать

Программное руководство с первой редакцией было уникально Это была книга синего

цвета в твердом переплете Компания Forethought считала что это лучше чем куча

исполняемых файлов помощи на компьютере и инструкций в электронном виде Но

обновление инструкции было необоснованно дорого Идея с подобными книгами была

вскоре заброшена

Позже в 1987 году Forethought и ее продукт были куплены Microsoft за 14 млн $ В 1990

году вышла версия для Windows C 1990 года PowerPoint стал стандартом в наборе

программ Microsoft Office

В 2002 году вышла версия PowerPoint которая не только была включена в пакет Microsoft

Office XP но также распространялась как отдельный продукт В нем появились такие

функции как сравнение и смешение изменений в презентации возможность задавать пути

анимации для индивидуальных форм создание пирамидальных радиальных и целевых

диаграмм а также кругов Эйлера панель задач для просмотра и выбора объектов буфера

обмена защита презентации паролем автоматическая генерация фотоальбома а также

―умные теги для быстрого выбора формата текста скопированного в презентацию

Microsoft PowerPoint 2003 не сильно отличается от предшественника Он увеличивает

эффективность работы в группе и теперь имеет возможность создания ―Пакета для CD

- 18 -

который легко позволяет скопировать презентацию с мультимедийным содержанием и

просмотрщик на компакт диск

Текущая версия Power Point 2007 привносит основные изменения в интерфейс программы

и увеличивает графические возможности

PowerPoint является частью Microsoft Office Это позволило PowerPoint стать наиболее

распространенной во всем мире программой для создания презентаций Файлы

презентаций PowerPoint часто пересылаются пользователями программы на другие

компьютеры что означает необходимую совместимость с ними программ конкурентов

Однако поскольку Power Point имеет возможность подключения элементов других

приложений через OLE некоторые презентации становятся сильно привязанными к

платформе Windows что делает невозможным открытие данных файлов например в

версии для Mac OS Это привело к переходу на открытые стандарты такие как PDF и

OASIS OpenDocument

Глава 4 АЛГОРИТМИЗАЦИЯ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

41 Структурный подход к разработке алгоритмов и программ

42 Основные структуры и операторы VBA

43 Примеры на VBA

- 19 -

Глава 5ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ

Компьютерные сети

Понятие компьютерной сети

Компьютерная сеть (Computer Network) ndash это множество компьютеров соединенных

линиями связи и работающих под управлением специального программного обеспечения

Под линией связи обычно понимают совокупность технических устройств и

физической среды обеспечивающих передачу сигналов от передатчика к приемнику В

реальной жизни примерами линий связи могут служить участки кабеля и усилители

обеспечивающие передачу сигналов между коммутаторами телефонной сети На основе

линий связи строятся каналы связи

Каналом связи обычно называют систему технических устройств и линий связи

обеспечивающую передачу информации между абонентами Соотношение между

понятиями канал и линия описывается следующим образом канал связи может

включать в себя несколько разнородных линий связи а одна линия связи может

использоваться несколькими каналами

Главной целью объединения компьютеров в сеть является предоставление пользователям

возможности доступа к различным информационным ресурсам (например документам

программам базам данных и тд) распределенным по этим компьютерам и их

совместного использования

Важной характеристикой любой компьютерной сети является широта территории

которую она охватывает Широта охвата определятся взаимной удаленностью

компьютеров составляющих сеть и следовательно влияет на технологические решения

выбираемые при построении сети Классически выделяют два типа сетей локальные сети

и глобальные сети

К локальным сетям (Local Area Network LAN) обычно относят сети компьютеры

которых сосредоточены на относительно небольших территориях (как правило в радиусе

до 1-2 км) Классическим примером локальных сетей является сеть одного предприятия

расположенного в одном или нескольких стоящих рядом зданиях Небольшой размер

локальных сетей позволяет использовать для их построения достаточно дорогие и

высококачественные технологии что обеспечивает высокую скорость обмена

информацией между компьютерами

Глобальные сети (Wide Area Network WAN) ndash это сети предназначенные для

объединения отдельных компьютеров и локальных сетей расположенных на

значительном удалении (сотни и тысячи километров) друг от друга Поскольку

организация специализированных высококачественных каналов связи большой

протяженности является достаточно дорогой то в глобальных сетях нередко

используются уже существующие и изначально не предназначенные для построения

компьютерных сетей линии (например телефонные или телеграфные) В связи с этим

скорость передачи данных в таких сетях существенно ниже чем в локальных

Независимо от того какую территорию покрывает сеть какие технологические решения

лежат в основе ее организации существуют общие принципы сетевого взаимодействия

которым должно подчиняться функционирование сети Именно выработка таких общих

- 20 -

принципов способствовала в свое время появлению Интернет (Internet) как объединенной

сети (иногда даже используется термин гиперсеть) собравшей в своем составе

локальные городские и глобальные сети всей планеты

Модель сетевого взаимодействия

В 1984 году Международной Организацией по Стандартизации (International Standard

Organization ISO) была разработана модель взаимодействия открытых систем (Open

Systems Interconnection OSI) Модель представляет собой международный стандарт для

проектирования сетевых коммуникаций и предполагает уровневый подход к построению

сетей Каждый уровень модели обслуживает различные этапы процесса взаимодействия

Посредством деления на уровни сетевая модель OSI упрощает совместную работу

оборудования и программного обеспечения Модель OSI разделяет сетевые функции на

семь уровней прикладной уровень представления сессионный транспортный сетевой

канальный и физический

Физический уровень (Physical layer) определяет способ физического соединения

компьютеров в сети Функциями средств относящихся к данному уровню являются

побитовое преобразование цифровых данных в сигналы передаваемые по физической

среде (например по кабелю) а также собственно передача сигналов

Канальный уровень(Data Link layer) отвечает за организацию передачи данных между

абонентами через физический уровень поэтому на данном уровне предусмотрены

средства адресации позволяющие однозначно идентифицировать отправителя и

получателя во всем множестве абонентов подключенных к обще линии связи В функции

данного уровня также входит упорядочивание передачи с целью параллельного

использования одной линии связи несколькими парами абонентов Кроме того средства

канального уровня обеспечивают проверку ошибок которые могут возникать при

передаче данных физическим уровнем

Сетевой уровень(Network layer) обеспечивает доставку данных между компьютерами

сети представляющей собой объединение различных физических сетей Данный уровень

предполагает наличие средств логической адресации позволяющих однозначно

- 21 -

идентифицировать компьютер в объединенной сети Одной из главных функций

выполняемых средствами данного уровня является целенаправленная передача данных

конкретному получателю

Транспортный уровень(Transport layer) реализует передачу данных между двумя

программами функционирующими на разных компьютерах обеспечивая при этом

отсутствие потерь и дублирования информации которые могут возникать в результате

ошибок передачи нижних уровней В случае если данные передаваемые через

транспортный уровень подвергаются фрагментации то средства данного уровня

гарантируют сборку фрагментов в правильном порядке

Сессионный (или сеансовый) уровень (Session layer) позволяет двум программам

поддерживать продолжительное взаимодействие по сети называемое сессией (session)

или сеансом Этот уровень управляет установлением сеанса обменом информацией и

завершением сеанса Он также отвечает за идентификацию позволяя тем самым только

определенным абонентам принимать участие в сеансе и обеспечивает работу служб

безопасности с целью упорядочивания доступа к информации сессии

Уровень представления(Presentation layer) осуществляет промежуточное

преобразование данных исходящего сообщения в общий формат который предусмотрен

средствами нижних уровней а также обратное преобразование входящих данных из

общего формата в формат понятный получающей программе

Основные принципы уровневого взаимодействия

При уровневой организации процесса взаимодействия должны соблюдаться следующие

требования

компоненты одного уровня одной системы могут взаимодействовать с

компонентами только того же уровня другой системы

в рамках одной системы компоненты какого-либо уровня могут взаимодействовать

только с компонентами смежных (вышележащего и нижележащего) уровней

Набор правил определяющих порядок взаимодействия средств относящихся к одному и

тому же уровню и функционирующих в разных системах называется протоколом

(protocol) Правила взаимодействия между собой средств относящихся к смежным

уровням и функционирующих в одной системе называются интерфейсом (interface)

Функции физического уровня

Физический уровень определяет способ физического соединения компьютеров в сети

Основными функциями средств относящихся к данному уровню является побитовое

преобразование цифровых данных в сигналы среды передачи а также собственно

передача сигналов по физической среде

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно распространение

информационных сигналов в виде электрических световых и тп импульсов В настоящее

время выделяют два основных типа физических соединений соединения с помощью

кабеля и беспроводные соединения

- 22 -

Кабель (cable) используемый для построения компьютерных сетей представляет собой

сложную конструкцию состоящую в общем случае из проводников изолирующих и

экранирующих слоев В современных сетях используются три типа кабеля

Каждый тип кабеля отличается от других внутренним устройством и обладает целым

набором технических характеристик влияющих на основные потребительские параметры

сетей

Тип кабеля Характеристика

Максимальное

расстояние передачи

Максимальная

скорость передачи

Коаксиальный

кабель 185 ndash 500 м 10 Мбитс

Витая пара 30 ndash 100 м 10 Мбитс ndash 1

Гбитс

Оптоволоконный

кабель 2 км

10 Мбитс ndash 2

Гбитс

Топология сети - способ соединения компьютеров с помощью физической среды

Если сеть состоит всего из двух компьютеров то они соединяются напрямую Такой

способ соединения получил название точка-точка (point-to-point)

Выделяют три базовые топологии Шина (bus) Кольцо (ring) Звезда(star)

laquoШинаraquo - использует один передающий канал на базе коаксиального кабеля называемый

шиной Все сетевые компьютеры присоединяются напрямую к шине На концах кабеля-

шины устанавливаются специальные заглушки - терминаторы (terminator) Они

необходимы для того чтобы погасить сигнал после прохождения по шине К недостаткам

топологии Шина следует отнести следующее

данные предаваемые по кабелю доступны всем подключенным компьютерам

в случае повреждения шины вся сеть перестает функционировать

laquoКольцоraquo - характерно отсутствие конечных точек соединения сеть замкнута образуя

неразрывное кольцо по которому передаются данные Эта топология подразумевает

следующий механизм передачи данные передаются последовательно от одного

компьютера к другому пока не достигнут компьютера-получателя Недостатки топологии

кольцо те же то и у топологии шина

общедоступность данных

неустойчивость к повреждениям кабельной системы

В сети с топологией звезда все компьютеры соединены со специальным устройством

называемым сетевым концентратором или хабом (hub) который выполняет функции

- 23 -

распределения данных Прямые соединения двух компьютеров в сети отсутствуют

Благодаря этому имеется возможность решения проблемы общедоступности данных а

также повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы Однако

функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора

Канальный уровень - отвечает за организацию передачи данных между абонентами

через физический уровень поэтому на данном уровне предусмотрены средства адресации

позволяющие однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к общему физическому каналу В функции данного

уровня также входит упорядочивание передачи с целью обеспечения возможности

параллельного использования одного физического канала несколькими парами абонентов

Средства канального уровня обеспечивают проверку ошибок которые могут возникать

при передаче данных физическим уровнем Большинство функций канального уровня

выполняются устройствами передачи данных (например сетевым адаптером)

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена способ

представления информации а также необходимый набор правил позволяющий

упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток битов Перед

передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с принципом пакетной

коммутации разделяется на порции каждая из которых снабжается заголовком

содержащим некоторую служебную информацию те формируется пакет На канальном

уровне пакет называется кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает протокол Сложность

канальных протоколов во многом определяется сложностью топологии сети Очевидно

что организовать общение всего двух абонентов существенно проще чем упорядочивать

информационный обмен в сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких

пар абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Сетевой уровень - сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

- 24 -

адресации определенных различными технологиями Поэтому для обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого уровня модели OSI Устройства этого уровня предназначенные для объединения сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку составной сети Процесс определения пути прохождения данных через подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название маршрутизаторов

Транспортный уровень Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных

между устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд) Однако

не следует забывать что на одном узле может функционировать параллельно несколько

программ которым требуется доступ к сети Следовательно данные внутри

компьютерной системы должны распределяться между программами Поэтому при

передаче данных по сети недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо

также идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является отсутствие средств

позволяющих передавать большие массивы данных Когда исходные данные превышают

максимально допустимый размер пакета сетевого уровня то эти данные должны быть

разбиты на порции каждая из которых передается в сеть отдельным пакетом Однако

каждый пакет сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других

блок данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и следовательно ndash

обнаружить нарушение целостности общего массива данных Поэтому средства

транспортного уровня обеспечивают отсутствие потерь информации Такой режим

передачи данных получил название гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой функциональную

надстройку над сетевым уровнем и решают две основных задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

- 25 -

обеспечение гарантированной доставки массивов данных произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash UDP

обеспечивающий негарантированную доставку данных между программами и TCP

обеспечивающий гарантированную доставку с установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной уровень - Компоненты четырех

нижних уровней модели OSI (физического канального сетевого и транспортного)

представляют собой механизм обеспечивающий доставку данных любого типа и

произвольного объема между программами работающими на разных узлах составной

сети Однако при работе в сети пользователям требуется не просто пересылка данных а

выполнение каких-либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех возможностей

которые предоставляют средства нижних уровней недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо просмотреть

документ расположенный не на его локальном компьютере а на удаленной машине

Решение такой задачи предполагает как минимум прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса содержащего имя

документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной машины

изменений вносимых в этот документ другими пользователями и уведомление об этом

пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав пользователя на

работу с документом что предполагает дополнительный обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних уровней не имеют

средств позволяющих реализовать специфику такого взаимодействия Поэтому для его

организации требуются дополнительные надстройки над средствами транспортного и

нижележащих уровней В эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный

уровень уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или сессии) при

длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое (виртуальное) соединение между

двумя программами в общем случае функционирующими на разных компьютерах В

простейшем случае установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти необходимых для

приема и передачи данных После окончания передачи данных происходит закрытие

соединения предполагающее освобождение выделенных ресурсов Во многих случаях

этого недостаточно поэтому сессионный уровень предлагает более сложные механизмы

для организации сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая поддержка

осуществляется путем периодической отправки специальных тестовых пакетов при

получении которых участник соединения должен ответить Возвращаясь к

предложенному выше примеру следует отметить что установление соединения при

работе с удаленным документом позволяет один раз перед началом работы проверить

- 26 -

права доступа пользователя а также один раз передать запрос с именем файла В случае

если бы соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог бы

уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться дополнительное

преобразование Например это необходимо в случае если взаимодействующие

программы используют различные способы кодировки текстовой информации или если

для обеспечения защиты информации требуется осуществлять шифрование данных

Обеспечение подобных промежуточных преобразований возложено на уровень

представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными уровнями Они

позволяют осуществлять работу с различными информационными ресурсами сети

например файлами или сообщениями электронной почты Естественно что различные

типы ресурсов в общем случае требуют различных методов обработки и в том числе

методов сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI является

прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции работы с конкретными

информационными объектами В предложенном выше примере (чтение удаленного

документа) к функциям прикладного протокола относятся формирование запросов на

получение документа проверка прав доступа а также определение порядка пересылки

файлов и уведомлений об изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами определяемых

протоколами прикладного уровня часть функций сессионного уровня и уровня

представления может оказаться избыточной поэтому при программной реализации три

верхних уровня обычно объединяются

Модель сетевого взаимодействия

В 1984 году Международной Организацией по Стандартизации (International

Standard Organization ISO) была разработана модель взаимодействия

открытых систем (Open Systems Interconnection OSI) Модель представляет

собой международный стандарт для проектирования сетевых коммуникаций

и предполагает уровневый подход к построению сетей Каждый уровень

модели обслуживает различные этапы процесса взаимодействия

Посредством деления на уровни сетевая модель OSI упрощает совместную

работу оборудования и программного обеспечения Модель OSI разделяет

сетевые функции на семь уровней прикладной уровень представления

сессионный транспортный сетевой канальный и физический

Ниже дается краткая характеристика уровней модели

Физический уровень (Physical layer) определяет способ физического

соединения компьютеров в сети Функциями средств относящихся к

данному уровню являются побитовое преобразование цифровых

- 27 -

данных в сигналы передаваемые по физической среде (например по

кабелю) а также собственно передача сигналов

Канальный уровень(Data Link layer) отвечает за организацию передачи

данных между абонентами через физический уровень поэтому на

данном уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к обще линии связи В функции

данного уровня также входит упорядочивание передачи с целью

параллельного использования одной линии связи несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем

Сетевой уровень(Network layer) обеспечивает доставку данных между

компьютерами сети представляющей собой объединение различных

физических сетей Данный уровень предполагает наличие средств

логической адресации позволяющих однозначно идентифицировать

компьютер в объединенной сети Одной из главных функций

выполняемых средствами данного уровня является целенаправленная

передача данных конкретному получателю

Транспортный уровень(Transport layer) реализует передачу данных

между двумя программами функционирующими на разных

компьютерах обеспечивая при этом отсутствие потерь и дублирования

информации которые могут возникать в результате ошибок передачи

нижних уровней В случае если данные передаваемые через

транспортный уровень подвергаются фрагментации то средства

данного уровня гарантируют сборку фрагментов в правильном

порядке

Сессионный (или сеансовый) уровень (Session layer) позволяет двум

программам поддерживать продолжительное взаимодействие по сети

называемое сессией (session) или сеансом Этот уровень управляет

установлением сеанса обменом информацией и завершением сеанса

Он также отвечает за идентификацию позволяя тем самым только

определенным абонентам принимать участие в сеансе и обеспечивает

работу служб безопасности с целью упорядочивания доступа к

информации сессии

Уровень представления(Presentation layer) осуществляет

промежуточное преобразование данных исходящего сообщения в

общий формат который предусмотрен средствами нижних уровней а

также обратное преобразование входящих данных из общего формата в

формат понятный получающей программе

Прикладной уровень (Application layer) предоставляет

высокоуровневые функции сетевого взаимодействия такие как

передача файлов отправка сообщений по электронной почте и тп

Основные принципы уровневого взаимодействия

- 28 -

При уровневой организации процесса взаимодействия должны соблюдаться

следующие требования

компоненты одного уровня одной системы могут взаимодействовать с

компонентами только того же уровня другой системы

в рамках одной системы компоненты какого-либо уровня могут

взаимодействовать только с компонентами смежных (вышележащего и

нижележащего) уровней

Порядок уровневого взаимодействия

Набор правил определяющих порядок взаимодействия средств относящихся

к одному и тому же уровню и функционирующих в разных системах

называется протоколом (protocol) Правила взаимодействия между собой

средств относящихся к смежным уровням и функционирующих в одной

системе называются интерфейсом (interface)

Практическая реализация уровневого взаимодействия

На практике протоколы и интерфейсы регламентируют технические

требования предъявляемые к программным и аппаратным средствам

Программные (аппаратные) модули предназначенные для обеспечения

практического взаимодействия определяемого тем или иным протоколом

(или интерфейсом) обычно называют реализацией протокола (или

интерфейса)

Хотя различные компоненты относящиеся к различным уровням сетевой

модели формально должны быть функционально независимыми друг от

друга при практической разработке протоколов такая независимость не

всегда выдерживается Это объясняется тем что попытка добиться точного

соответствия эталонной модели может привести к неэффективности работы

программно-аппаратного обеспечения реализующего протокол В настоящее

время наблюдается два типа отклонений возникающих при реализации

уровневого взаимодействия

- 29 -

функции некоторых уровней могут объединяться одним протоколом и

наоборот ndash функции одного уровня могут делиться между различными

протоколами

функционирование протокола какого-либо уровня подразумевают

использование только определенных протоколов нижележащего

уровня

Поэтому разработка практических методов сетевого взаимодействия как

правило подразумевает разработку не отдельных протоколов а целых

наборов протоколов Такие наборы обычно включают в себя протоколы

относящиеся к нескольким смежным уровням эталонной модели OSI и

называются стеками (или семействами наборами) протоколов (protocol stack

protocol suite) Наиболее известным стеком протоколов обеспечивающим

взаимодействие в сети Интернет является стек протоколов TCPIP

Физический уровень

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Среда передачи

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Физический уровень определяет способ физического соединения

компьютеров в сети Основными функциями средств относящихся к

данному уровню является побитовое преобразование цифровых данных в

сигналы среды передачи а также собственно передача сигналов по

физической среде

Кабельные системы

- 30 -

Кабель (cable) используемый для построения компьютерных сетей

представляет собой сложную конструкцию состоящую в общем случае из

проводников изолирующих и экранирующих слоев В современных сетях

используются три типа кабеля

Еще одним важным понятием физического уровня является способ

соединения компьютеров с помощью физической среды или топология сети

Если сеть состоит всего из двух компьютеров то они соединяются

напрямую Такой способ соединения получил название точка-точка

(point-to-point)

Соединение типа точка-точка

Для обеспечения связи более чем двух компьютеров может использоваться

последовательность соединений типа точка-точка

Последовательность соединений типа точка-точка

Однако такой подход требует установки на большую часть компьютеров

нескольких устройств передачи данных

В качестве альтернативного подхода возможно использование более

сложных топологий позволяющих подключить к общей среде сразу

несколько компьютеров имеющих по одному устройству передачи данных

- 31 -

Выделяют три базовые топологии Шина (bus) Кольцо (ring)

Звезда(star)

Топология laquoШинаraquo

Топология Шина

Эта топология использует один передающий канал на базе коаксиального

кабеля называемый шиной Все сетевые компьютеры присоединяются

напрямую к шине На концах кабеля-шины устанавливаются специальные

заглушки - терминаторы (terminator) Они необходимы для того чтобы

погасить сигнал после прохождения по шине К недостаткам топологии

Шина следует отнести следующее

данные предаваемые по кабелю доступны всем подключенным

компьютерам

в случае повреждения шины вся сеть перестает функционировать

Топология laquoКольцоraquo

Топология Кольцо

Для топологии кольцо характерно отсутствие конечных точек соединения

сеть замкнута образуя неразрывное кольцо по которому передаются данные

Эта топология подразумевает следующий механизм передачи данные

передаются последовательно от одного компьютера к другому пока не

- 32 -

достигнут компьютера-получателя Недостатки топологии кольцо те же то

и у топологии шина

общедоступность данных

неустойчивость к повреждениям кабельной системы

Топология laquoЗвездаraquo

Топология Звезда

В сети с топологией звезда все компьютеры соединены со специальным

устройством называемым сетевым концентратором или хабом (hub)

который выполняет функции распределения данных Прямые соединения

двух компьютеров в сети отсутствуют Благодаря этому имеется

возможность решения проблемы общедоступности данных а также

повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы Однако

функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора

Физическая и логическая топологии

Следует отметить что термин топология может употребляться для

обозначения двух понятий ndash физической топологии и логической топологии

Физическая топология ndash способ физического соединения компьютеров с

помощью среды передачи например участками кабеля Логическая

топология определяет маршруты передачи данных в сети Во многих

случаях физическая топология однозначно определяет логическую

топологию Однако существуют такие конфигурации в которых логическая

топология отличается от физической Например сеть с физической

- 33 -

топологией laquoзвездаraquo может иметь логическую топологию laquoшинаraquo ndash все

зависит от того каким образом устроен сетевой концентратор

Кодированиедекодирование данных Как известно данные обрабатываемые

компьютером представляются в двоичном виде - как последовательность

нулей и единиц Однако понятия нуль и единица являются логическими

понятиями обозначающими электрические сигналы отличающиеся друг от

друга физическими параметрами и использующиеся для представления

информации в различных устройствах например оперативной памяти или

центральном процессоре В силу различных технических причин эти сигналы

не всегда могут передаваться по физическим каналам связи Поэтому они

должны быть преобразованы Процесс преобразования сигналов удобных

для компьютера в сигналы которые могут быть переданы по сети

называется физическим кодированием а обратное преобразование -

декодированием

Передача сигналов Информационные сигналы передаются по физическим

линиям связи последовательно В случае если между передающей и

принимающей сторонами параллельно существуют более одной линии

например проложено несколько кабелей то оказывается возможным

одновременно (параллельно) передавать несколько сигналов Если эти

сигналы представляют различные биты передаваемых данных то

повышается скорость информационного обмена Если же сигналы

представляют один и тот же бит данных - то повышается надежность

взаимодействия

Канальный уровень

Канальный уровень отвечает за организацию передачи данных

между абонентами через физический уровень поэтому на данном

уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к общему физическому

каналу В функции данного уровня также входит упорядочивание

передачи с целью обеспечения возможности параллельного

использования одного физического канала несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем Большинство функций канального уровня

выполняются устройствами передачи данных (например сетевым

- 34 -

адаптером)

Метод коммутации

дной из центральных проблем организации передачи данных по физическим

каналам является проблема параллельного использования одного и того же

канала несколькими парами абонентов Методы лежащие в основе ее

решения получили название методов коммутации

В настоящее время существует два основных метода коммутации

коммутация каналов и коммутация пакетов

Коммутация каналов предполагает что перед началом передачи данных

должна быть выполнена процедура установления соединения в результате

которой образуется составной канал По окончании сеанса связи соединение

разрывается и канал освобождается Классическим примером реализации

коммутации каналов является телефонная связь которая подразумевает что

абонент перед началом разговора набирает номер второго абонента в

результате чего последовательное переключение промежуточных

коммутаторов позволяет образовать непрерывный канал связи между

абонентами Коммутация каналов удобна для организации линий связи в

которых подразумевается передача потоков данных постоянной

интенсивности например таких как телефонный разговор в силу чего этот

метод оказывается недостаточно гибким при построении компьютерных

сетей

Метод коммутации пакетов основан на разбиении передаваемых по сети

данных на небольшие порции Каждая такая порция передается по сети

как единое целое и называется пакетом Такой метод является очень

удобным для параллельного использования физического канала несколькими

парами абонентов канал является занятым только во время прохождения

пакета Временные промежутки между передачей пакетов одним абонентам

могут быть использованы другими для отправки собственных пакетов

Пакет обычно состоит из двух частей ndash заголовка содержащего служебные

данные необходимые для управления доставкой пакета и собственно

данных подлежащих передаче Порядок обмена пакетами а также

конкретный состав заголовка пакетов определяется сетевым протоколом

Для именования пакетов различных уровней модели OSI используются

специальные термины Для канального уровня используется термин кадр

для сетевого ndash пакет для транспортного ndash сегмент дейтаграмма для

сессионного и более высоких уровней ndash сообщение

- 35 -

Протоколы канального уровня

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена

способ представления информации а также необходимый набор правил

позволяющий упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток

битов Перед передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с

принципом пакетной коммутации разделяется на порции каждая из

которых снабжается заголовком содержащим некоторую служебную

информацию те формируется пакет На канальном уровне пакет называется

кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает

протокол Сложность канальных протоколов во многом определяется

сложностью топологии сети Очевидно что организовать общение всего двух

абонентов существенно проще чем упорядочивать информационный обмен в

сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких пар

абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Структура кадра данных

Состав заголовка кадра зависит от многих факторов определяемых набором

функций которые выполняет протокол Тем не менее можно выделить ряд

информационных полей которые обычно присутствуют в заголовке кадра К

таким полям относятся

1 Специальные поля предназначенные для определения границ кадров

Поскольку в физической среде могут постоянно проходить какие-либо

сигналы то сетевые адаптеры должны уметь разбираться в том когда

начинается передача кадра и когда она заканчивается

2 Поле предназначенное для определения протокола сетевого уровня

которому необходимо передать данные Так как на одном компьютере могут

функционировать программные модули различных протоколов сетевого

уровня то протоколы канального уровня должны уметь распределять данные

по этим протоколам

3 Контрольная сумма (или специальный код) содержимого кадра которая

позволяет принимающей стороне определить наличие ошибок в принятых

данных Принцип ее использования состоит в следующем Сетевой адаптер

отправляющего компьютера после формирования кадра вычисляет значение

- 36 -

его контрольной суммы на основе содержимого и помещает это значение в

заголовок кадра Принимающая сторона также вычисляет контрольную

сумму полученного кадра и сравнивает его со значением помещенным в

заголовке Если они не совпадают то это означает что во время передачи

кадра произошла ошибка

4 Поля предназначенные для адресации абонентов в сложных сетях

(определены для протоколов применяемых в сетях базирующихся на

сложных топологиях)

Обобщенная структура кадра данных

Протоколы для сетей сложных топологий

Протоколы канального уровня этой группы являются более сложными чем

протоколы использующиеся в сетях типа точка-точка так как вынуждены

выполнять ряд дополнительных функций Основными функциями являются

Выделение на всем множестве компьютеров подключенных к сети

конкретного абонента с которым осуществляется информационный обмен

то есть адресация

Адресация абонентов

Упорядочивание доступа к среде передачи в случае когда нескольким парам

абонентов требуется осуществить передачу данных

Для обеспечения адресации абонентов в заголовке кадров должны

присутствовать следующие поля

- 37 -

1 Адрес отправителя ndash некоторое число (или набор чисел) позволяющее

идентифицировать сетевой адаптер (а следовательно и компьютер в

котором она установлена) который осуществил передачу кадра данных в

сеть Адреса присваиваются сетевым адаптерам на заводе-изготовителе и

как правило не изменяются в дальнейшем хотя большинство современных

адаптеров позволяют перепрограммировать сетевой адрес

Протоколы канального уровня и сетевые технологии

Функциональный состав того или иного протокола канального уровня во

многом определяется особенностями физического уровня например

топологией сети или типом среды передачи Поэтому при проектировании

сетевого взаимодействия используются и разрабатываются комплексные

стандарты получившие название сетевых технологий

Сетевая технология ndash это набор стандартов определяющий минимальный

состав программно-аппаратных средств достаточный для организации

взаимодействия компьютеров в сети Как правило сетевая технология

определяет топологию сети а также протокол канального уровня (формат

кадра порядок обмена кадрами MTU)

В настоящее время существует большое количество сетевых технологий и

соответственно определяемых ими протоколов канального уровня

Рассмотрим для примера одну из наиболее популярных в настоящее время

технологий ndash технологию локальных сетей Ethernet Эта технология

предполагает что сеть должна строиться на основе физических топологий

шина если используется коаксиальный кабель или звезда если

используется кабель типа витая пара В зависимости от типа используемого

кабеля скорость передачи данных лежит в диапазоне 10-100 Мбитс В

качестве метода доступа к среде передачи используется метод обнаружения

коллизий (CSMACD) Что касается формата кадра то в настоящее время на

практике используются 4 варианта кадров Ethernet отличающихся друг от

друга но все они согласуются с общими положениями изложенными ранее

Максимальный объем данных передаваемых в одном кадре (MTU) в

технологии Ethernet не может превышать 1500 байт

Помимо технологии Ethernet в настоящее время в локальных сетях широко

используются технологии AppleTalk FDDI и ATM В глобальных сетях

широко распространены технологии ATM FrameRelay ISDN и SMDS

Существует также ряд технологий использующихся для организации

беспроводных сетей Наиболее популярной технологией применяемой при

- 38 -

построении локальных сетей в настоящее время является технология

RadioEthernet Она предполагает передачу данных в двух УКВ-диапазонах

около 915 МГЦ и 2400-24835 МГц а также в инфракрасном спектре

Диапазон 915 МГц в России и Европе достаточно сильно загружен

средствами связи (сотовая телефония) поэтому он используется как

правило для организации сетей внутри зданий хотя технически позволяет

осуществлять передачу на значительные расстояния Это же ограничение

распространяется и на инфракрасный диапазон поскольку инфракрасные

лучи чувствительны к погодным условиям В зависимости от того какой

режим передачи используется сети RadioEthernet позволяют осуществлять

передачу данных со скоростью 2 - 10 Мбитс Технология RadioEthernet

предполагает построение сетей на базе топологий точка-точка и звезда В

качестве метода доступа используется метод предупреждения коллизий

(CSMACA)

Наряду с кабельными и беспроводными технологиями существуют также

технологии предполагающие комбинирование различных типов физической

среды передачи Обычно они применяются для построения асимметричных

сетей небольшие по объему запросы пользовательских компьютеров

передаются по кабельным каналам например с использованием телефонных

линий и модемов а прием осуществляется через спутниковый радиоканал

Объединение сетей на канальном уровне

Сложные сети в общем случае представляют собой совокупность

нескольких сетей Такие сети называются объединенными сетями

(internetwork)

Необходимость объединения сетей может быть вызвана разными причинами

Прежде всего это - преодоление технических ограничений среды передачи

например максимального расстояния передачи данных Кроме того

построение сети как объединенной позволяет повысить надежность (выход

из строя одной физической среды не влияет на работу остальных) и

обеспечить определенный уровень конфиденциальности (данные

передаваемые между компьютерами одной физической среды оказываются

недоступными компьютерам других сетей)

Для построения объединенных сетей требуются специальные устройства

которые позволяют подключать к себе две (или более) сети Наиболее

простым устройством такого вида является мост (bridge)

Мост

- 39 -

Принцип функционирования моста достаточно прост для подключения сетей

мост располагает несколькими портами с каждым из которых связываются

записи так называемой адресной таблицы содержащей список адресов

компьютеров сетей подключенных к мосту Когда мост получает кадр

данных то он передает его в сеть через порт который согласно таблице

соответствует адресу получателя В случае если адрес получателя не

обнаружен в адресной таблице то кадр передается во все сети Адресные

таблицы мостов как правило строятся на основе анализа кадров

передаваемых по сетям

Функции сетевого уровня

Сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе

различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне

достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети

но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети

с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это

объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

адресации определенных различными технологиями Поэтому для

обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства

представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую

абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых

технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого

уровня модели OSI

Очевидно что устройства этого уровня предназначенные для объединения

сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального

уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную

передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть

определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку

составной сети Процесс определения пути прохождения данных через

подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства

объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название

маршрутизаторов

- 40 -

Протокол IP

Протокол IP (Internet Protocol) входит в состав стека протоколов TCPIP и

является основным протоколом сетевого уровня использующимся в

Интернет и обеспечивающим единую схему логической адресации устройств

в сети и маршрутизацию данных

Для выполнения своих функций протокол определяет свой собственный

формат пакета Основными информационными полями заголовка пакета

являются

IP-адреса отправителя и получателя ndash предназначены для

идентификации отправителя и получателя (см IP-адресация)

Время жизни пакета (Time To Live TTL) - определяет время которое

IP-пакет может находиться в сети и предназначено для

предотвращения захламления сети заблудившимися пакетами

поля предназначенные для фрагментации пакетов (см IP-

фрагментация)

поля предназначенные для управления обработкой пакета (длина

пакета и заголовка контрольная сумма заголовка тип обслуживания и

тд)

Существует 5 классов IP-адресов ndash A B C D E Принадлежность IP-

адреса к тому или иному классу определяется значением первого

октета (W) Ниже показано соответствие значений первого октета и

классов адресов

Класс IP-адреса A B C D E

Диапазон первого

октета

1-

126

128-

191

192-

223

224-

239

240-

247

IP-адреса первых трех классов предназначены для адресации

отдельных узлов и отдельных сетей Такие адреса состоят из двух

частей ndash номера сети и номера узла Такая схема аналогична схеме

почтовых индексов ndash первые три цифры кодируют регион а остальные

ndash почтовое отделение внутри региона

Преимущества двухуровневой схемы очевидны она позволяет во-

первых адресовать целиком отдельные сети внутри составной сети

что необходимо для обеспечения маршрутизации а во-вторых ndash

присваивать узлам номера внутри одной сети независимо от других

сетей Естественно что компьютеры входящие в одну и ту же сеть

должны иметь IP-адреса с одинаковым номером сети

- 41 -

IP-Маршрутизация ndash процесс выбора пути для передачи пакета в сети Под

путем (маршрутом) понимается последовательность маршрутизаторов через

которые проходит пакет по пути к узлу-назначению IP-маршрутизатор ndash это

специальное устройство предназначенное для объединения сетей и

обеспечивающее определение пути прохождения пакетов в составной сети

Маршрутизатор должен иметь несколько IP-адресов с номерами сетей

соответствующими номерам объединяемых сетей

Как известно для разных сетевых технологий значение MTU определенное

для кадров данных может отличаться Поэтому при преобразовании кадров

на маршрутизаторе может потребоваться разделение вложенных в них IP-

пакетов на более мелкие пакеты

Для разделения пакетов на фрагменты модуль IP установленный на

маршрутизаторе создает на его основе некоторое число новых пакетов (в

соответствии с длиной исходного пакета и значения MTU для сети куда

должны быть переданы данные) Для того чтобы данные могли быть

правильно собраны получателем в заголовки новых IP-пакетов помещается

специальный числовой идентификатор позволяющий однозначно

определить что эти пакеты являются фрагментами одного большого пакета

Кроме того в заголовках также указывается положения фрагментов в

исходном пакете что позволяет обеспечить правильный порядок сборки

получателем

Вспомогательные протоколы сетевого уровня стека TCPIP

Главными функциями протокола IP является обеспечение единой схемы

адресации независимой от принципов адресации определяемых сетевыми

технологиями (адресацией канального уровня) а также передача данных по

составной сети (маршрутизация и фрагментация пакетов) Однако для

организации реального взаимодействия этого оказывается недостаточно -

существует еще ряд проблем

Первая проблема состоит в следующем Для того чтобы передать данные по

сети программное обеспечение протокола IP создает пакет и передает его

средствам канального уровня При этом средствам канального уровня для

формирования кадра данных необходим адрес получателя причем не

логический IP-адрес а MAC-адрес который может быть правильно опознан

сетевым адаптером принимающего компьютера Однако спецификацией

протокола IP не предусмотрен механизм позволяющий определять

соответствие между аппаратными и IP-адресами Эту функцию выполняет

вспомогательный протокол сетевого уровня ARP (Address Resolution

Protocol) входящий в семейство протоколов TCPIP

- 42 -

Другая серьезная проблема состоит в том что если при обработке IP-пакета

на маршрутизаторе возникли какие-то проблемы например истекло время

жизни пакета то отправитель о них не узнает поскольку механизм

обратной связи также не предусмотрен спецификацией протокола IP Для

решения этой проблемы используется специальный протокол сетевого

уровня ICMP (Internet Control Message Protocol) входящий в стек протоколов

TCPIP и обеспечивающий передачу управляющей информации и

информации об ошибках

В семействе протоколов TCPIP предусмотрен также ряд других

вспомогательных протоколов например протоколы динамической

маршрутизации обеспечивающие обмен информацией между

маршрутизаторами с целью автоматизации построения таблиц

маршрутизации

Транспортный уровень

Функции транспортного уровня

Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных между

устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд)

Однако не следует забывать что на одном узле может функционировать

параллельно несколько программ которым требуется доступ к сети

Следовательно данные внутри компьютерной системы должны

распределяться между программами Поэтому при передаче данных по сети

недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо также

идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является

отсутствие средств позволяющих передавать большие массивы данных

Когда исходные данные превышают максимально допустимый размер пакета

сетевого уровня то эти данные должны быть разбиты на порции каждая из

которых передается в сеть отдельным пакетом Однако каждый пакет

сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других блок

данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и

следовательно ndash обнаружить нарушение целостности общего массива

данных Поэтому средства транспортного уровня обеспечивают отсутствие

потерь информации Такой режим передачи данных получил название

гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой

- 43 -

функциональную надстройку над сетевым уровнем и решают две основных

задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

обеспечение гарантированной доставки массивов данных

произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash

UDP обеспечивающий негарантированную доставку данных между

программами и TCP обеспечивающий гарантированную доставку с

установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной

уровень

Компоненты четырех нижних уровней модели OSI (физического канального

сетевого и транспортного) представляют собой механизм обеспечивающий

доставку данных любого типа и произвольного объема между программами

работающими на разных узлах составной сети Однако при работе в сети

пользователям требуется не просто пересылка данных а выполнение каких-

либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех

возможностей которые предоставляют средства нижних уровней

недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо

просмотреть документ расположенный не на его локальном компьютере а

на удаленной машине Решение такой задачи предполагает как минимум

прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса

содержащего имя документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного

компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной

машины изменений вносимых в этот документ другими пользователями и

уведомление об этом пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав

пользователя на работу с документом что предполагает дополнительный

- 44 -

обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних

уровней не имеют средств позволяющих реализовать специфику такого

взаимодействия Поэтому для его организации требуются дополнительные

надстройки над средствами транспортного и нижележащих уровней В

эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный уровень

уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или

сессии) при длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое

(виртуальное) соединение между двумя программами в общем случае

функционирующими на разных компьютерах В простейшем случае

установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти

необходимых для приема и передачи данных После окончания передачи

данных происходит закрытие соединения предполагающее освобождение

выделенных ресурсов Во многих случаях этого недостаточно поэтому

сессионный уровень предлагает более сложные механизмы для организации

сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая

поддержка осуществляется путем периодической отправки специальных

тестовых пакетов при получении которых участник соединения должен

ответить Возвращаясь к предложенному выше примеру следует отметить

что установление соединения при работе с удаленным документом позволяет

один раз перед началом работы проверить права доступа пользователя а

также один раз передать запрос с именем файла В случае если бы

соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог

бы уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться

дополнительное преобразование Например это необходимо в случае если

взаимодействующие программы используют различные способы кодировки

текстовой информации или если для обеспечения защиты информации

требуется осуществлять шифрование данных Обеспечение подобных

промежуточных преобразований возложено на уровень представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными

уровнями Они позволяют осуществлять работу с различными

информационными ресурсами сети например файлами или сообщениями

электронной почты Естественно что различные типы ресурсов в общем

случае требуют различных методов обработки и в том числе методов

сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI

- 45 -

является прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции

работы с конкретными информационными объектами В предложенном выше

примере (чтение удаленного документа) к функциям прикладного протокола

относятся формирование запросов на получение документа проверка прав

доступа а также определение порядка пересылки файлов и уведомлений об

изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами

определяемых протоколами прикладного уровня часть функций сессионного

уровня и уровня представления может оказаться избыточной поэтому при

программной реализации три верхних уровня обычно объединяются

Page 15: - 3 - ВВЕДЕНИЕicm.muctr.ru/study/computers/inf001.pdf · 2016-08-25 · - 7 - А) Количество информации как мера уменьшения неопределенности

- 17 -

измененных ячеек (раньше табличные процессоры либо постоянно пересчитывали все

ячейки или ждали команды пользователя)

Будучи впервые объединенными в Microsoft Office в 1993 году Microsoft Word и Microsoft

PowerPoint получили новый графический интерфейс для соответствия Excel главного

стимула модернизации ПК в то время

Начиная с 1993 года в состав Excel входит Visual Basic для приложений (VBA) язык

программирования основанный на Visual Basic позволяющий автоматизировать задачи

Excel VBA является мощным дополнением к приложению и в более поздних версиях

Excel доступна полнофункциональная интегрированная среда разработки Можно создать

VBA-код повторяющий действия пользователя и таким образом автоматизировать

простые задачи VBA позволяет создавать формы для общения с пользователем Язык

поддерживает использование (но не создание) DLL от ActiveX более поздние версии

позволяют использовать элементы объектно-ориентированного программирования

Функциональность VBA делала Excel легкой мишенью для макровирусов И это было

серьезной проблемой до тех пор пока антивирусные продукты не научились

обнаруживать их Фирма Microsoft с опозданием приняв меры для уменьшения риска

добавила возможность выбора режима безопасности

Идея PowerPoint появилась у Боба Гаскинса (Bob Gaskins) студента университета Беркли

который решил что наступает век графических интерактивных материалов В 1984 году

Гаскинс присоединился к провальной компании Forethought и нанял разработчика

Денниса Остина (Dennis Austin) Боб и Деннис объединили усилия и создали программу

Presenter Деннис создал оригинальную версию программы с Томом Рудкиным (Tom

Rudkin) Позже Боб решил сменить имя на PowerPoint которое и стало названием

конечного продукта

В 1987 году вышел PowerPoint 10 для Apple Macintosh Он работал в черно-белом цвете

Вскоре появились цветные Macintosh и новая версия PowerPoint не заставила себя ждать

Программное руководство с первой редакцией было уникально Это была книга синего

цвета в твердом переплете Компания Forethought считала что это лучше чем куча

исполняемых файлов помощи на компьютере и инструкций в электронном виде Но

обновление инструкции было необоснованно дорого Идея с подобными книгами была

вскоре заброшена

Позже в 1987 году Forethought и ее продукт были куплены Microsoft за 14 млн $ В 1990

году вышла версия для Windows C 1990 года PowerPoint стал стандартом в наборе

программ Microsoft Office

В 2002 году вышла версия PowerPoint которая не только была включена в пакет Microsoft

Office XP но также распространялась как отдельный продукт В нем появились такие

функции как сравнение и смешение изменений в презентации возможность задавать пути

анимации для индивидуальных форм создание пирамидальных радиальных и целевых

диаграмм а также кругов Эйлера панель задач для просмотра и выбора объектов буфера

обмена защита презентации паролем автоматическая генерация фотоальбома а также

―умные теги для быстрого выбора формата текста скопированного в презентацию

Microsoft PowerPoint 2003 не сильно отличается от предшественника Он увеличивает

эффективность работы в группе и теперь имеет возможность создания ―Пакета для CD

- 18 -

который легко позволяет скопировать презентацию с мультимедийным содержанием и

просмотрщик на компакт диск

Текущая версия Power Point 2007 привносит основные изменения в интерфейс программы

и увеличивает графические возможности

PowerPoint является частью Microsoft Office Это позволило PowerPoint стать наиболее

распространенной во всем мире программой для создания презентаций Файлы

презентаций PowerPoint часто пересылаются пользователями программы на другие

компьютеры что означает необходимую совместимость с ними программ конкурентов

Однако поскольку Power Point имеет возможность подключения элементов других

приложений через OLE некоторые презентации становятся сильно привязанными к

платформе Windows что делает невозможным открытие данных файлов например в

версии для Mac OS Это привело к переходу на открытые стандарты такие как PDF и

OASIS OpenDocument

Глава 4 АЛГОРИТМИЗАЦИЯ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

41 Структурный подход к разработке алгоритмов и программ

42 Основные структуры и операторы VBA

43 Примеры на VBA

- 19 -

Глава 5ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ

Компьютерные сети

Понятие компьютерной сети

Компьютерная сеть (Computer Network) ndash это множество компьютеров соединенных

линиями связи и работающих под управлением специального программного обеспечения

Под линией связи обычно понимают совокупность технических устройств и

физической среды обеспечивающих передачу сигналов от передатчика к приемнику В

реальной жизни примерами линий связи могут служить участки кабеля и усилители

обеспечивающие передачу сигналов между коммутаторами телефонной сети На основе

линий связи строятся каналы связи

Каналом связи обычно называют систему технических устройств и линий связи

обеспечивающую передачу информации между абонентами Соотношение между

понятиями канал и линия описывается следующим образом канал связи может

включать в себя несколько разнородных линий связи а одна линия связи может

использоваться несколькими каналами

Главной целью объединения компьютеров в сеть является предоставление пользователям

возможности доступа к различным информационным ресурсам (например документам

программам базам данных и тд) распределенным по этим компьютерам и их

совместного использования

Важной характеристикой любой компьютерной сети является широта территории

которую она охватывает Широта охвата определятся взаимной удаленностью

компьютеров составляющих сеть и следовательно влияет на технологические решения

выбираемые при построении сети Классически выделяют два типа сетей локальные сети

и глобальные сети

К локальным сетям (Local Area Network LAN) обычно относят сети компьютеры

которых сосредоточены на относительно небольших территориях (как правило в радиусе

до 1-2 км) Классическим примером локальных сетей является сеть одного предприятия

расположенного в одном или нескольких стоящих рядом зданиях Небольшой размер

локальных сетей позволяет использовать для их построения достаточно дорогие и

высококачественные технологии что обеспечивает высокую скорость обмена

информацией между компьютерами

Глобальные сети (Wide Area Network WAN) ndash это сети предназначенные для

объединения отдельных компьютеров и локальных сетей расположенных на

значительном удалении (сотни и тысячи километров) друг от друга Поскольку

организация специализированных высококачественных каналов связи большой

протяженности является достаточно дорогой то в глобальных сетях нередко

используются уже существующие и изначально не предназначенные для построения

компьютерных сетей линии (например телефонные или телеграфные) В связи с этим

скорость передачи данных в таких сетях существенно ниже чем в локальных

Независимо от того какую территорию покрывает сеть какие технологические решения

лежат в основе ее организации существуют общие принципы сетевого взаимодействия

которым должно подчиняться функционирование сети Именно выработка таких общих

- 20 -

принципов способствовала в свое время появлению Интернет (Internet) как объединенной

сети (иногда даже используется термин гиперсеть) собравшей в своем составе

локальные городские и глобальные сети всей планеты

Модель сетевого взаимодействия

В 1984 году Международной Организацией по Стандартизации (International Standard

Organization ISO) была разработана модель взаимодействия открытых систем (Open

Systems Interconnection OSI) Модель представляет собой международный стандарт для

проектирования сетевых коммуникаций и предполагает уровневый подход к построению

сетей Каждый уровень модели обслуживает различные этапы процесса взаимодействия

Посредством деления на уровни сетевая модель OSI упрощает совместную работу

оборудования и программного обеспечения Модель OSI разделяет сетевые функции на

семь уровней прикладной уровень представления сессионный транспортный сетевой

канальный и физический

Физический уровень (Physical layer) определяет способ физического соединения

компьютеров в сети Функциями средств относящихся к данному уровню являются

побитовое преобразование цифровых данных в сигналы передаваемые по физической

среде (например по кабелю) а также собственно передача сигналов

Канальный уровень(Data Link layer) отвечает за организацию передачи данных между

абонентами через физический уровень поэтому на данном уровне предусмотрены

средства адресации позволяющие однозначно идентифицировать отправителя и

получателя во всем множестве абонентов подключенных к обще линии связи В функции

данного уровня также входит упорядочивание передачи с целью параллельного

использования одной линии связи несколькими парами абонентов Кроме того средства

канального уровня обеспечивают проверку ошибок которые могут возникать при

передаче данных физическим уровнем

Сетевой уровень(Network layer) обеспечивает доставку данных между компьютерами

сети представляющей собой объединение различных физических сетей Данный уровень

предполагает наличие средств логической адресации позволяющих однозначно

- 21 -

идентифицировать компьютер в объединенной сети Одной из главных функций

выполняемых средствами данного уровня является целенаправленная передача данных

конкретному получателю

Транспортный уровень(Transport layer) реализует передачу данных между двумя

программами функционирующими на разных компьютерах обеспечивая при этом

отсутствие потерь и дублирования информации которые могут возникать в результате

ошибок передачи нижних уровней В случае если данные передаваемые через

транспортный уровень подвергаются фрагментации то средства данного уровня

гарантируют сборку фрагментов в правильном порядке

Сессионный (или сеансовый) уровень (Session layer) позволяет двум программам

поддерживать продолжительное взаимодействие по сети называемое сессией (session)

или сеансом Этот уровень управляет установлением сеанса обменом информацией и

завершением сеанса Он также отвечает за идентификацию позволяя тем самым только

определенным абонентам принимать участие в сеансе и обеспечивает работу служб

безопасности с целью упорядочивания доступа к информации сессии

Уровень представления(Presentation layer) осуществляет промежуточное

преобразование данных исходящего сообщения в общий формат который предусмотрен

средствами нижних уровней а также обратное преобразование входящих данных из

общего формата в формат понятный получающей программе

Основные принципы уровневого взаимодействия

При уровневой организации процесса взаимодействия должны соблюдаться следующие

требования

компоненты одного уровня одной системы могут взаимодействовать с

компонентами только того же уровня другой системы

в рамках одной системы компоненты какого-либо уровня могут взаимодействовать

только с компонентами смежных (вышележащего и нижележащего) уровней

Набор правил определяющих порядок взаимодействия средств относящихся к одному и

тому же уровню и функционирующих в разных системах называется протоколом

(protocol) Правила взаимодействия между собой средств относящихся к смежным

уровням и функционирующих в одной системе называются интерфейсом (interface)

Функции физического уровня

Физический уровень определяет способ физического соединения компьютеров в сети

Основными функциями средств относящихся к данному уровню является побитовое

преобразование цифровых данных в сигналы среды передачи а также собственно

передача сигналов по физической среде

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно распространение

информационных сигналов в виде электрических световых и тп импульсов В настоящее

время выделяют два основных типа физических соединений соединения с помощью

кабеля и беспроводные соединения

- 22 -

Кабель (cable) используемый для построения компьютерных сетей представляет собой

сложную конструкцию состоящую в общем случае из проводников изолирующих и

экранирующих слоев В современных сетях используются три типа кабеля

Каждый тип кабеля отличается от других внутренним устройством и обладает целым

набором технических характеристик влияющих на основные потребительские параметры

сетей

Тип кабеля Характеристика

Максимальное

расстояние передачи

Максимальная

скорость передачи

Коаксиальный

кабель 185 ndash 500 м 10 Мбитс

Витая пара 30 ndash 100 м 10 Мбитс ndash 1

Гбитс

Оптоволоконный

кабель 2 км

10 Мбитс ndash 2

Гбитс

Топология сети - способ соединения компьютеров с помощью физической среды

Если сеть состоит всего из двух компьютеров то они соединяются напрямую Такой

способ соединения получил название точка-точка (point-to-point)

Выделяют три базовые топологии Шина (bus) Кольцо (ring) Звезда(star)

laquoШинаraquo - использует один передающий канал на базе коаксиального кабеля называемый

шиной Все сетевые компьютеры присоединяются напрямую к шине На концах кабеля-

шины устанавливаются специальные заглушки - терминаторы (terminator) Они

необходимы для того чтобы погасить сигнал после прохождения по шине К недостаткам

топологии Шина следует отнести следующее

данные предаваемые по кабелю доступны всем подключенным компьютерам

в случае повреждения шины вся сеть перестает функционировать

laquoКольцоraquo - характерно отсутствие конечных точек соединения сеть замкнута образуя

неразрывное кольцо по которому передаются данные Эта топология подразумевает

следующий механизм передачи данные передаются последовательно от одного

компьютера к другому пока не достигнут компьютера-получателя Недостатки топологии

кольцо те же то и у топологии шина

общедоступность данных

неустойчивость к повреждениям кабельной системы

В сети с топологией звезда все компьютеры соединены со специальным устройством

называемым сетевым концентратором или хабом (hub) который выполняет функции

- 23 -

распределения данных Прямые соединения двух компьютеров в сети отсутствуют

Благодаря этому имеется возможность решения проблемы общедоступности данных а

также повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы Однако

функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора

Канальный уровень - отвечает за организацию передачи данных между абонентами

через физический уровень поэтому на данном уровне предусмотрены средства адресации

позволяющие однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к общему физическому каналу В функции данного

уровня также входит упорядочивание передачи с целью обеспечения возможности

параллельного использования одного физического канала несколькими парами абонентов

Средства канального уровня обеспечивают проверку ошибок которые могут возникать

при передаче данных физическим уровнем Большинство функций канального уровня

выполняются устройствами передачи данных (например сетевым адаптером)

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена способ

представления информации а также необходимый набор правил позволяющий

упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток битов Перед

передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с принципом пакетной

коммутации разделяется на порции каждая из которых снабжается заголовком

содержащим некоторую служебную информацию те формируется пакет На канальном

уровне пакет называется кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает протокол Сложность

канальных протоколов во многом определяется сложностью топологии сети Очевидно

что организовать общение всего двух абонентов существенно проще чем упорядочивать

информационный обмен в сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких

пар абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Сетевой уровень - сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

- 24 -

адресации определенных различными технологиями Поэтому для обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого уровня модели OSI Устройства этого уровня предназначенные для объединения сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку составной сети Процесс определения пути прохождения данных через подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название маршрутизаторов

Транспортный уровень Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных

между устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд) Однако

не следует забывать что на одном узле может функционировать параллельно несколько

программ которым требуется доступ к сети Следовательно данные внутри

компьютерной системы должны распределяться между программами Поэтому при

передаче данных по сети недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо

также идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является отсутствие средств

позволяющих передавать большие массивы данных Когда исходные данные превышают

максимально допустимый размер пакета сетевого уровня то эти данные должны быть

разбиты на порции каждая из которых передается в сеть отдельным пакетом Однако

каждый пакет сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других

блок данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и следовательно ndash

обнаружить нарушение целостности общего массива данных Поэтому средства

транспортного уровня обеспечивают отсутствие потерь информации Такой режим

передачи данных получил название гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой функциональную

надстройку над сетевым уровнем и решают две основных задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

- 25 -

обеспечение гарантированной доставки массивов данных произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash UDP

обеспечивающий негарантированную доставку данных между программами и TCP

обеспечивающий гарантированную доставку с установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной уровень - Компоненты четырех

нижних уровней модели OSI (физического канального сетевого и транспортного)

представляют собой механизм обеспечивающий доставку данных любого типа и

произвольного объема между программами работающими на разных узлах составной

сети Однако при работе в сети пользователям требуется не просто пересылка данных а

выполнение каких-либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех возможностей

которые предоставляют средства нижних уровней недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо просмотреть

документ расположенный не на его локальном компьютере а на удаленной машине

Решение такой задачи предполагает как минимум прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса содержащего имя

документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной машины

изменений вносимых в этот документ другими пользователями и уведомление об этом

пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав пользователя на

работу с документом что предполагает дополнительный обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних уровней не имеют

средств позволяющих реализовать специфику такого взаимодействия Поэтому для его

организации требуются дополнительные надстройки над средствами транспортного и

нижележащих уровней В эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный

уровень уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или сессии) при

длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое (виртуальное) соединение между

двумя программами в общем случае функционирующими на разных компьютерах В

простейшем случае установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти необходимых для

приема и передачи данных После окончания передачи данных происходит закрытие

соединения предполагающее освобождение выделенных ресурсов Во многих случаях

этого недостаточно поэтому сессионный уровень предлагает более сложные механизмы

для организации сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая поддержка

осуществляется путем периодической отправки специальных тестовых пакетов при

получении которых участник соединения должен ответить Возвращаясь к

предложенному выше примеру следует отметить что установление соединения при

работе с удаленным документом позволяет один раз перед началом работы проверить

- 26 -

права доступа пользователя а также один раз передать запрос с именем файла В случае

если бы соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог бы

уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться дополнительное

преобразование Например это необходимо в случае если взаимодействующие

программы используют различные способы кодировки текстовой информации или если

для обеспечения защиты информации требуется осуществлять шифрование данных

Обеспечение подобных промежуточных преобразований возложено на уровень

представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными уровнями Они

позволяют осуществлять работу с различными информационными ресурсами сети

например файлами или сообщениями электронной почты Естественно что различные

типы ресурсов в общем случае требуют различных методов обработки и в том числе

методов сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI является

прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции работы с конкретными

информационными объектами В предложенном выше примере (чтение удаленного

документа) к функциям прикладного протокола относятся формирование запросов на

получение документа проверка прав доступа а также определение порядка пересылки

файлов и уведомлений об изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами определяемых

протоколами прикладного уровня часть функций сессионного уровня и уровня

представления может оказаться избыточной поэтому при программной реализации три

верхних уровня обычно объединяются

Модель сетевого взаимодействия

В 1984 году Международной Организацией по Стандартизации (International

Standard Organization ISO) была разработана модель взаимодействия

открытых систем (Open Systems Interconnection OSI) Модель представляет

собой международный стандарт для проектирования сетевых коммуникаций

и предполагает уровневый подход к построению сетей Каждый уровень

модели обслуживает различные этапы процесса взаимодействия

Посредством деления на уровни сетевая модель OSI упрощает совместную

работу оборудования и программного обеспечения Модель OSI разделяет

сетевые функции на семь уровней прикладной уровень представления

сессионный транспортный сетевой канальный и физический

Ниже дается краткая характеристика уровней модели

Физический уровень (Physical layer) определяет способ физического

соединения компьютеров в сети Функциями средств относящихся к

данному уровню являются побитовое преобразование цифровых

- 27 -

данных в сигналы передаваемые по физической среде (например по

кабелю) а также собственно передача сигналов

Канальный уровень(Data Link layer) отвечает за организацию передачи

данных между абонентами через физический уровень поэтому на

данном уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к обще линии связи В функции

данного уровня также входит упорядочивание передачи с целью

параллельного использования одной линии связи несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем

Сетевой уровень(Network layer) обеспечивает доставку данных между

компьютерами сети представляющей собой объединение различных

физических сетей Данный уровень предполагает наличие средств

логической адресации позволяющих однозначно идентифицировать

компьютер в объединенной сети Одной из главных функций

выполняемых средствами данного уровня является целенаправленная

передача данных конкретному получателю

Транспортный уровень(Transport layer) реализует передачу данных

между двумя программами функционирующими на разных

компьютерах обеспечивая при этом отсутствие потерь и дублирования

информации которые могут возникать в результате ошибок передачи

нижних уровней В случае если данные передаваемые через

транспортный уровень подвергаются фрагментации то средства

данного уровня гарантируют сборку фрагментов в правильном

порядке

Сессионный (или сеансовый) уровень (Session layer) позволяет двум

программам поддерживать продолжительное взаимодействие по сети

называемое сессией (session) или сеансом Этот уровень управляет

установлением сеанса обменом информацией и завершением сеанса

Он также отвечает за идентификацию позволяя тем самым только

определенным абонентам принимать участие в сеансе и обеспечивает

работу служб безопасности с целью упорядочивания доступа к

информации сессии

Уровень представления(Presentation layer) осуществляет

промежуточное преобразование данных исходящего сообщения в

общий формат который предусмотрен средствами нижних уровней а

также обратное преобразование входящих данных из общего формата в

формат понятный получающей программе

Прикладной уровень (Application layer) предоставляет

высокоуровневые функции сетевого взаимодействия такие как

передача файлов отправка сообщений по электронной почте и тп

Основные принципы уровневого взаимодействия

- 28 -

При уровневой организации процесса взаимодействия должны соблюдаться

следующие требования

компоненты одного уровня одной системы могут взаимодействовать с

компонентами только того же уровня другой системы

в рамках одной системы компоненты какого-либо уровня могут

взаимодействовать только с компонентами смежных (вышележащего и

нижележащего) уровней

Порядок уровневого взаимодействия

Набор правил определяющих порядок взаимодействия средств относящихся

к одному и тому же уровню и функционирующих в разных системах

называется протоколом (protocol) Правила взаимодействия между собой

средств относящихся к смежным уровням и функционирующих в одной

системе называются интерфейсом (interface)

Практическая реализация уровневого взаимодействия

На практике протоколы и интерфейсы регламентируют технические

требования предъявляемые к программным и аппаратным средствам

Программные (аппаратные) модули предназначенные для обеспечения

практического взаимодействия определяемого тем или иным протоколом

(или интерфейсом) обычно называют реализацией протокола (или

интерфейса)

Хотя различные компоненты относящиеся к различным уровням сетевой

модели формально должны быть функционально независимыми друг от

друга при практической разработке протоколов такая независимость не

всегда выдерживается Это объясняется тем что попытка добиться точного

соответствия эталонной модели может привести к неэффективности работы

программно-аппаратного обеспечения реализующего протокол В настоящее

время наблюдается два типа отклонений возникающих при реализации

уровневого взаимодействия

- 29 -

функции некоторых уровней могут объединяться одним протоколом и

наоборот ndash функции одного уровня могут делиться между различными

протоколами

функционирование протокола какого-либо уровня подразумевают

использование только определенных протоколов нижележащего

уровня

Поэтому разработка практических методов сетевого взаимодействия как

правило подразумевает разработку не отдельных протоколов а целых

наборов протоколов Такие наборы обычно включают в себя протоколы

относящиеся к нескольким смежным уровням эталонной модели OSI и

называются стеками (или семействами наборами) протоколов (protocol stack

protocol suite) Наиболее известным стеком протоколов обеспечивающим

взаимодействие в сети Интернет является стек протоколов TCPIP

Физический уровень

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Среда передачи

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Физический уровень определяет способ физического соединения

компьютеров в сети Основными функциями средств относящихся к

данному уровню является побитовое преобразование цифровых данных в

сигналы среды передачи а также собственно передача сигналов по

физической среде

Кабельные системы

- 30 -

Кабель (cable) используемый для построения компьютерных сетей

представляет собой сложную конструкцию состоящую в общем случае из

проводников изолирующих и экранирующих слоев В современных сетях

используются три типа кабеля

Еще одним важным понятием физического уровня является способ

соединения компьютеров с помощью физической среды или топология сети

Если сеть состоит всего из двух компьютеров то они соединяются

напрямую Такой способ соединения получил название точка-точка

(point-to-point)

Соединение типа точка-точка

Для обеспечения связи более чем двух компьютеров может использоваться

последовательность соединений типа точка-точка

Последовательность соединений типа точка-точка

Однако такой подход требует установки на большую часть компьютеров

нескольких устройств передачи данных

В качестве альтернативного подхода возможно использование более

сложных топологий позволяющих подключить к общей среде сразу

несколько компьютеров имеющих по одному устройству передачи данных

- 31 -

Выделяют три базовые топологии Шина (bus) Кольцо (ring)

Звезда(star)

Топология laquoШинаraquo

Топология Шина

Эта топология использует один передающий канал на базе коаксиального

кабеля называемый шиной Все сетевые компьютеры присоединяются

напрямую к шине На концах кабеля-шины устанавливаются специальные

заглушки - терминаторы (terminator) Они необходимы для того чтобы

погасить сигнал после прохождения по шине К недостаткам топологии

Шина следует отнести следующее

данные предаваемые по кабелю доступны всем подключенным

компьютерам

в случае повреждения шины вся сеть перестает функционировать

Топология laquoКольцоraquo

Топология Кольцо

Для топологии кольцо характерно отсутствие конечных точек соединения

сеть замкнута образуя неразрывное кольцо по которому передаются данные

Эта топология подразумевает следующий механизм передачи данные

передаются последовательно от одного компьютера к другому пока не

- 32 -

достигнут компьютера-получателя Недостатки топологии кольцо те же то

и у топологии шина

общедоступность данных

неустойчивость к повреждениям кабельной системы

Топология laquoЗвездаraquo

Топология Звезда

В сети с топологией звезда все компьютеры соединены со специальным

устройством называемым сетевым концентратором или хабом (hub)

который выполняет функции распределения данных Прямые соединения

двух компьютеров в сети отсутствуют Благодаря этому имеется

возможность решения проблемы общедоступности данных а также

повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы Однако

функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора

Физическая и логическая топологии

Следует отметить что термин топология может употребляться для

обозначения двух понятий ndash физической топологии и логической топологии

Физическая топология ndash способ физического соединения компьютеров с

помощью среды передачи например участками кабеля Логическая

топология определяет маршруты передачи данных в сети Во многих

случаях физическая топология однозначно определяет логическую

топологию Однако существуют такие конфигурации в которых логическая

топология отличается от физической Например сеть с физической

- 33 -

топологией laquoзвездаraquo может иметь логическую топологию laquoшинаraquo ndash все

зависит от того каким образом устроен сетевой концентратор

Кодированиедекодирование данных Как известно данные обрабатываемые

компьютером представляются в двоичном виде - как последовательность

нулей и единиц Однако понятия нуль и единица являются логическими

понятиями обозначающими электрические сигналы отличающиеся друг от

друга физическими параметрами и использующиеся для представления

информации в различных устройствах например оперативной памяти или

центральном процессоре В силу различных технических причин эти сигналы

не всегда могут передаваться по физическим каналам связи Поэтому они

должны быть преобразованы Процесс преобразования сигналов удобных

для компьютера в сигналы которые могут быть переданы по сети

называется физическим кодированием а обратное преобразование -

декодированием

Передача сигналов Информационные сигналы передаются по физическим

линиям связи последовательно В случае если между передающей и

принимающей сторонами параллельно существуют более одной линии

например проложено несколько кабелей то оказывается возможным

одновременно (параллельно) передавать несколько сигналов Если эти

сигналы представляют различные биты передаваемых данных то

повышается скорость информационного обмена Если же сигналы

представляют один и тот же бит данных - то повышается надежность

взаимодействия

Канальный уровень

Канальный уровень отвечает за организацию передачи данных

между абонентами через физический уровень поэтому на данном

уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к общему физическому

каналу В функции данного уровня также входит упорядочивание

передачи с целью обеспечения возможности параллельного

использования одного физического канала несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем Большинство функций канального уровня

выполняются устройствами передачи данных (например сетевым

- 34 -

адаптером)

Метод коммутации

дной из центральных проблем организации передачи данных по физическим

каналам является проблема параллельного использования одного и того же

канала несколькими парами абонентов Методы лежащие в основе ее

решения получили название методов коммутации

В настоящее время существует два основных метода коммутации

коммутация каналов и коммутация пакетов

Коммутация каналов предполагает что перед началом передачи данных

должна быть выполнена процедура установления соединения в результате

которой образуется составной канал По окончании сеанса связи соединение

разрывается и канал освобождается Классическим примером реализации

коммутации каналов является телефонная связь которая подразумевает что

абонент перед началом разговора набирает номер второго абонента в

результате чего последовательное переключение промежуточных

коммутаторов позволяет образовать непрерывный канал связи между

абонентами Коммутация каналов удобна для организации линий связи в

которых подразумевается передача потоков данных постоянной

интенсивности например таких как телефонный разговор в силу чего этот

метод оказывается недостаточно гибким при построении компьютерных

сетей

Метод коммутации пакетов основан на разбиении передаваемых по сети

данных на небольшие порции Каждая такая порция передается по сети

как единое целое и называется пакетом Такой метод является очень

удобным для параллельного использования физического канала несколькими

парами абонентов канал является занятым только во время прохождения

пакета Временные промежутки между передачей пакетов одним абонентам

могут быть использованы другими для отправки собственных пакетов

Пакет обычно состоит из двух частей ndash заголовка содержащего служебные

данные необходимые для управления доставкой пакета и собственно

данных подлежащих передаче Порядок обмена пакетами а также

конкретный состав заголовка пакетов определяется сетевым протоколом

Для именования пакетов различных уровней модели OSI используются

специальные термины Для канального уровня используется термин кадр

для сетевого ndash пакет для транспортного ndash сегмент дейтаграмма для

сессионного и более высоких уровней ndash сообщение

- 35 -

Протоколы канального уровня

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена

способ представления информации а также необходимый набор правил

позволяющий упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток

битов Перед передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с

принципом пакетной коммутации разделяется на порции каждая из

которых снабжается заголовком содержащим некоторую служебную

информацию те формируется пакет На канальном уровне пакет называется

кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает

протокол Сложность канальных протоколов во многом определяется

сложностью топологии сети Очевидно что организовать общение всего двух

абонентов существенно проще чем упорядочивать информационный обмен в

сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких пар

абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Структура кадра данных

Состав заголовка кадра зависит от многих факторов определяемых набором

функций которые выполняет протокол Тем не менее можно выделить ряд

информационных полей которые обычно присутствуют в заголовке кадра К

таким полям относятся

1 Специальные поля предназначенные для определения границ кадров

Поскольку в физической среде могут постоянно проходить какие-либо

сигналы то сетевые адаптеры должны уметь разбираться в том когда

начинается передача кадра и когда она заканчивается

2 Поле предназначенное для определения протокола сетевого уровня

которому необходимо передать данные Так как на одном компьютере могут

функционировать программные модули различных протоколов сетевого

уровня то протоколы канального уровня должны уметь распределять данные

по этим протоколам

3 Контрольная сумма (или специальный код) содержимого кадра которая

позволяет принимающей стороне определить наличие ошибок в принятых

данных Принцип ее использования состоит в следующем Сетевой адаптер

отправляющего компьютера после формирования кадра вычисляет значение

- 36 -

его контрольной суммы на основе содержимого и помещает это значение в

заголовок кадра Принимающая сторона также вычисляет контрольную

сумму полученного кадра и сравнивает его со значением помещенным в

заголовке Если они не совпадают то это означает что во время передачи

кадра произошла ошибка

4 Поля предназначенные для адресации абонентов в сложных сетях

(определены для протоколов применяемых в сетях базирующихся на

сложных топологиях)

Обобщенная структура кадра данных

Протоколы для сетей сложных топологий

Протоколы канального уровня этой группы являются более сложными чем

протоколы использующиеся в сетях типа точка-точка так как вынуждены

выполнять ряд дополнительных функций Основными функциями являются

Выделение на всем множестве компьютеров подключенных к сети

конкретного абонента с которым осуществляется информационный обмен

то есть адресация

Адресация абонентов

Упорядочивание доступа к среде передачи в случае когда нескольким парам

абонентов требуется осуществить передачу данных

Для обеспечения адресации абонентов в заголовке кадров должны

присутствовать следующие поля

- 37 -

1 Адрес отправителя ndash некоторое число (или набор чисел) позволяющее

идентифицировать сетевой адаптер (а следовательно и компьютер в

котором она установлена) который осуществил передачу кадра данных в

сеть Адреса присваиваются сетевым адаптерам на заводе-изготовителе и

как правило не изменяются в дальнейшем хотя большинство современных

адаптеров позволяют перепрограммировать сетевой адрес

Протоколы канального уровня и сетевые технологии

Функциональный состав того или иного протокола канального уровня во

многом определяется особенностями физического уровня например

топологией сети или типом среды передачи Поэтому при проектировании

сетевого взаимодействия используются и разрабатываются комплексные

стандарты получившие название сетевых технологий

Сетевая технология ndash это набор стандартов определяющий минимальный

состав программно-аппаратных средств достаточный для организации

взаимодействия компьютеров в сети Как правило сетевая технология

определяет топологию сети а также протокол канального уровня (формат

кадра порядок обмена кадрами MTU)

В настоящее время существует большое количество сетевых технологий и

соответственно определяемых ими протоколов канального уровня

Рассмотрим для примера одну из наиболее популярных в настоящее время

технологий ndash технологию локальных сетей Ethernet Эта технология

предполагает что сеть должна строиться на основе физических топологий

шина если используется коаксиальный кабель или звезда если

используется кабель типа витая пара В зависимости от типа используемого

кабеля скорость передачи данных лежит в диапазоне 10-100 Мбитс В

качестве метода доступа к среде передачи используется метод обнаружения

коллизий (CSMACD) Что касается формата кадра то в настоящее время на

практике используются 4 варианта кадров Ethernet отличающихся друг от

друга но все они согласуются с общими положениями изложенными ранее

Максимальный объем данных передаваемых в одном кадре (MTU) в

технологии Ethernet не может превышать 1500 байт

Помимо технологии Ethernet в настоящее время в локальных сетях широко

используются технологии AppleTalk FDDI и ATM В глобальных сетях

широко распространены технологии ATM FrameRelay ISDN и SMDS

Существует также ряд технологий использующихся для организации

беспроводных сетей Наиболее популярной технологией применяемой при

- 38 -

построении локальных сетей в настоящее время является технология

RadioEthernet Она предполагает передачу данных в двух УКВ-диапазонах

около 915 МГЦ и 2400-24835 МГц а также в инфракрасном спектре

Диапазон 915 МГц в России и Европе достаточно сильно загружен

средствами связи (сотовая телефония) поэтому он используется как

правило для организации сетей внутри зданий хотя технически позволяет

осуществлять передачу на значительные расстояния Это же ограничение

распространяется и на инфракрасный диапазон поскольку инфракрасные

лучи чувствительны к погодным условиям В зависимости от того какой

режим передачи используется сети RadioEthernet позволяют осуществлять

передачу данных со скоростью 2 - 10 Мбитс Технология RadioEthernet

предполагает построение сетей на базе топологий точка-точка и звезда В

качестве метода доступа используется метод предупреждения коллизий

(CSMACA)

Наряду с кабельными и беспроводными технологиями существуют также

технологии предполагающие комбинирование различных типов физической

среды передачи Обычно они применяются для построения асимметричных

сетей небольшие по объему запросы пользовательских компьютеров

передаются по кабельным каналам например с использованием телефонных

линий и модемов а прием осуществляется через спутниковый радиоканал

Объединение сетей на канальном уровне

Сложные сети в общем случае представляют собой совокупность

нескольких сетей Такие сети называются объединенными сетями

(internetwork)

Необходимость объединения сетей может быть вызвана разными причинами

Прежде всего это - преодоление технических ограничений среды передачи

например максимального расстояния передачи данных Кроме того

построение сети как объединенной позволяет повысить надежность (выход

из строя одной физической среды не влияет на работу остальных) и

обеспечить определенный уровень конфиденциальности (данные

передаваемые между компьютерами одной физической среды оказываются

недоступными компьютерам других сетей)

Для построения объединенных сетей требуются специальные устройства

которые позволяют подключать к себе две (или более) сети Наиболее

простым устройством такого вида является мост (bridge)

Мост

- 39 -

Принцип функционирования моста достаточно прост для подключения сетей

мост располагает несколькими портами с каждым из которых связываются

записи так называемой адресной таблицы содержащей список адресов

компьютеров сетей подключенных к мосту Когда мост получает кадр

данных то он передает его в сеть через порт который согласно таблице

соответствует адресу получателя В случае если адрес получателя не

обнаружен в адресной таблице то кадр передается во все сети Адресные

таблицы мостов как правило строятся на основе анализа кадров

передаваемых по сетям

Функции сетевого уровня

Сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе

различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне

достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети

но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети

с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это

объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

адресации определенных различными технологиями Поэтому для

обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства

представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую

абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых

технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого

уровня модели OSI

Очевидно что устройства этого уровня предназначенные для объединения

сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального

уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную

передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть

определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку

составной сети Процесс определения пути прохождения данных через

подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства

объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название

маршрутизаторов

- 40 -

Протокол IP

Протокол IP (Internet Protocol) входит в состав стека протоколов TCPIP и

является основным протоколом сетевого уровня использующимся в

Интернет и обеспечивающим единую схему логической адресации устройств

в сети и маршрутизацию данных

Для выполнения своих функций протокол определяет свой собственный

формат пакета Основными информационными полями заголовка пакета

являются

IP-адреса отправителя и получателя ndash предназначены для

идентификации отправителя и получателя (см IP-адресация)

Время жизни пакета (Time To Live TTL) - определяет время которое

IP-пакет может находиться в сети и предназначено для

предотвращения захламления сети заблудившимися пакетами

поля предназначенные для фрагментации пакетов (см IP-

фрагментация)

поля предназначенные для управления обработкой пакета (длина

пакета и заголовка контрольная сумма заголовка тип обслуживания и

тд)

Существует 5 классов IP-адресов ndash A B C D E Принадлежность IP-

адреса к тому или иному классу определяется значением первого

октета (W) Ниже показано соответствие значений первого октета и

классов адресов

Класс IP-адреса A B C D E

Диапазон первого

октета

1-

126

128-

191

192-

223

224-

239

240-

247

IP-адреса первых трех классов предназначены для адресации

отдельных узлов и отдельных сетей Такие адреса состоят из двух

частей ndash номера сети и номера узла Такая схема аналогична схеме

почтовых индексов ndash первые три цифры кодируют регион а остальные

ndash почтовое отделение внутри региона

Преимущества двухуровневой схемы очевидны она позволяет во-

первых адресовать целиком отдельные сети внутри составной сети

что необходимо для обеспечения маршрутизации а во-вторых ndash

присваивать узлам номера внутри одной сети независимо от других

сетей Естественно что компьютеры входящие в одну и ту же сеть

должны иметь IP-адреса с одинаковым номером сети

- 41 -

IP-Маршрутизация ndash процесс выбора пути для передачи пакета в сети Под

путем (маршрутом) понимается последовательность маршрутизаторов через

которые проходит пакет по пути к узлу-назначению IP-маршрутизатор ndash это

специальное устройство предназначенное для объединения сетей и

обеспечивающее определение пути прохождения пакетов в составной сети

Маршрутизатор должен иметь несколько IP-адресов с номерами сетей

соответствующими номерам объединяемых сетей

Как известно для разных сетевых технологий значение MTU определенное

для кадров данных может отличаться Поэтому при преобразовании кадров

на маршрутизаторе может потребоваться разделение вложенных в них IP-

пакетов на более мелкие пакеты

Для разделения пакетов на фрагменты модуль IP установленный на

маршрутизаторе создает на его основе некоторое число новых пакетов (в

соответствии с длиной исходного пакета и значения MTU для сети куда

должны быть переданы данные) Для того чтобы данные могли быть

правильно собраны получателем в заголовки новых IP-пакетов помещается

специальный числовой идентификатор позволяющий однозначно

определить что эти пакеты являются фрагментами одного большого пакета

Кроме того в заголовках также указывается положения фрагментов в

исходном пакете что позволяет обеспечить правильный порядок сборки

получателем

Вспомогательные протоколы сетевого уровня стека TCPIP

Главными функциями протокола IP является обеспечение единой схемы

адресации независимой от принципов адресации определяемых сетевыми

технологиями (адресацией канального уровня) а также передача данных по

составной сети (маршрутизация и фрагментация пакетов) Однако для

организации реального взаимодействия этого оказывается недостаточно -

существует еще ряд проблем

Первая проблема состоит в следующем Для того чтобы передать данные по

сети программное обеспечение протокола IP создает пакет и передает его

средствам канального уровня При этом средствам канального уровня для

формирования кадра данных необходим адрес получателя причем не

логический IP-адрес а MAC-адрес который может быть правильно опознан

сетевым адаптером принимающего компьютера Однако спецификацией

протокола IP не предусмотрен механизм позволяющий определять

соответствие между аппаратными и IP-адресами Эту функцию выполняет

вспомогательный протокол сетевого уровня ARP (Address Resolution

Protocol) входящий в семейство протоколов TCPIP

- 42 -

Другая серьезная проблема состоит в том что если при обработке IP-пакета

на маршрутизаторе возникли какие-то проблемы например истекло время

жизни пакета то отправитель о них не узнает поскольку механизм

обратной связи также не предусмотрен спецификацией протокола IP Для

решения этой проблемы используется специальный протокол сетевого

уровня ICMP (Internet Control Message Protocol) входящий в стек протоколов

TCPIP и обеспечивающий передачу управляющей информации и

информации об ошибках

В семействе протоколов TCPIP предусмотрен также ряд других

вспомогательных протоколов например протоколы динамической

маршрутизации обеспечивающие обмен информацией между

маршрутизаторами с целью автоматизации построения таблиц

маршрутизации

Транспортный уровень

Функции транспортного уровня

Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных между

устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд)

Однако не следует забывать что на одном узле может функционировать

параллельно несколько программ которым требуется доступ к сети

Следовательно данные внутри компьютерной системы должны

распределяться между программами Поэтому при передаче данных по сети

недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо также

идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является

отсутствие средств позволяющих передавать большие массивы данных

Когда исходные данные превышают максимально допустимый размер пакета

сетевого уровня то эти данные должны быть разбиты на порции каждая из

которых передается в сеть отдельным пакетом Однако каждый пакет

сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других блок

данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и

следовательно ndash обнаружить нарушение целостности общего массива

данных Поэтому средства транспортного уровня обеспечивают отсутствие

потерь информации Такой режим передачи данных получил название

гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой

- 43 -

функциональную надстройку над сетевым уровнем и решают две основных

задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

обеспечение гарантированной доставки массивов данных

произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash

UDP обеспечивающий негарантированную доставку данных между

программами и TCP обеспечивающий гарантированную доставку с

установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной

уровень

Компоненты четырех нижних уровней модели OSI (физического канального

сетевого и транспортного) представляют собой механизм обеспечивающий

доставку данных любого типа и произвольного объема между программами

работающими на разных узлах составной сети Однако при работе в сети

пользователям требуется не просто пересылка данных а выполнение каких-

либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех

возможностей которые предоставляют средства нижних уровней

недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо

просмотреть документ расположенный не на его локальном компьютере а

на удаленной машине Решение такой задачи предполагает как минимум

прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса

содержащего имя документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного

компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной

машины изменений вносимых в этот документ другими пользователями и

уведомление об этом пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав

пользователя на работу с документом что предполагает дополнительный

- 44 -

обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних

уровней не имеют средств позволяющих реализовать специфику такого

взаимодействия Поэтому для его организации требуются дополнительные

надстройки над средствами транспортного и нижележащих уровней В

эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный уровень

уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или

сессии) при длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое

(виртуальное) соединение между двумя программами в общем случае

функционирующими на разных компьютерах В простейшем случае

установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти

необходимых для приема и передачи данных После окончания передачи

данных происходит закрытие соединения предполагающее освобождение

выделенных ресурсов Во многих случаях этого недостаточно поэтому

сессионный уровень предлагает более сложные механизмы для организации

сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая

поддержка осуществляется путем периодической отправки специальных

тестовых пакетов при получении которых участник соединения должен

ответить Возвращаясь к предложенному выше примеру следует отметить

что установление соединения при работе с удаленным документом позволяет

один раз перед началом работы проверить права доступа пользователя а

также один раз передать запрос с именем файла В случае если бы

соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог

бы уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться

дополнительное преобразование Например это необходимо в случае если

взаимодействующие программы используют различные способы кодировки

текстовой информации или если для обеспечения защиты информации

требуется осуществлять шифрование данных Обеспечение подобных

промежуточных преобразований возложено на уровень представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными

уровнями Они позволяют осуществлять работу с различными

информационными ресурсами сети например файлами или сообщениями

электронной почты Естественно что различные типы ресурсов в общем

случае требуют различных методов обработки и в том числе методов

сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI

- 45 -

является прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции

работы с конкретными информационными объектами В предложенном выше

примере (чтение удаленного документа) к функциям прикладного протокола

относятся формирование запросов на получение документа проверка прав

доступа а также определение порядка пересылки файлов и уведомлений об

изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами

определяемых протоколами прикладного уровня часть функций сессионного

уровня и уровня представления может оказаться избыточной поэтому при

программной реализации три верхних уровня обычно объединяются

Page 16: - 3 - ВВЕДЕНИЕicm.muctr.ru/study/computers/inf001.pdf · 2016-08-25 · - 7 - А) Количество информации как мера уменьшения неопределенности

- 18 -

который легко позволяет скопировать презентацию с мультимедийным содержанием и

просмотрщик на компакт диск

Текущая версия Power Point 2007 привносит основные изменения в интерфейс программы

и увеличивает графические возможности

PowerPoint является частью Microsoft Office Это позволило PowerPoint стать наиболее

распространенной во всем мире программой для создания презентаций Файлы

презентаций PowerPoint часто пересылаются пользователями программы на другие

компьютеры что означает необходимую совместимость с ними программ конкурентов

Однако поскольку Power Point имеет возможность подключения элементов других

приложений через OLE некоторые презентации становятся сильно привязанными к

платформе Windows что делает невозможным открытие данных файлов например в

версии для Mac OS Это привело к переходу на открытые стандарты такие как PDF и

OASIS OpenDocument

Глава 4 АЛГОРИТМИЗАЦИЯ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

41 Структурный подход к разработке алгоритмов и программ

42 Основные структуры и операторы VBA

43 Примеры на VBA

- 19 -

Глава 5ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ

Компьютерные сети

Понятие компьютерной сети

Компьютерная сеть (Computer Network) ndash это множество компьютеров соединенных

линиями связи и работающих под управлением специального программного обеспечения

Под линией связи обычно понимают совокупность технических устройств и

физической среды обеспечивающих передачу сигналов от передатчика к приемнику В

реальной жизни примерами линий связи могут служить участки кабеля и усилители

обеспечивающие передачу сигналов между коммутаторами телефонной сети На основе

линий связи строятся каналы связи

Каналом связи обычно называют систему технических устройств и линий связи

обеспечивающую передачу информации между абонентами Соотношение между

понятиями канал и линия описывается следующим образом канал связи может

включать в себя несколько разнородных линий связи а одна линия связи может

использоваться несколькими каналами

Главной целью объединения компьютеров в сеть является предоставление пользователям

возможности доступа к различным информационным ресурсам (например документам

программам базам данных и тд) распределенным по этим компьютерам и их

совместного использования

Важной характеристикой любой компьютерной сети является широта территории

которую она охватывает Широта охвата определятся взаимной удаленностью

компьютеров составляющих сеть и следовательно влияет на технологические решения

выбираемые при построении сети Классически выделяют два типа сетей локальные сети

и глобальные сети

К локальным сетям (Local Area Network LAN) обычно относят сети компьютеры

которых сосредоточены на относительно небольших территориях (как правило в радиусе

до 1-2 км) Классическим примером локальных сетей является сеть одного предприятия

расположенного в одном или нескольких стоящих рядом зданиях Небольшой размер

локальных сетей позволяет использовать для их построения достаточно дорогие и

высококачественные технологии что обеспечивает высокую скорость обмена

информацией между компьютерами

Глобальные сети (Wide Area Network WAN) ndash это сети предназначенные для

объединения отдельных компьютеров и локальных сетей расположенных на

значительном удалении (сотни и тысячи километров) друг от друга Поскольку

организация специализированных высококачественных каналов связи большой

протяженности является достаточно дорогой то в глобальных сетях нередко

используются уже существующие и изначально не предназначенные для построения

компьютерных сетей линии (например телефонные или телеграфные) В связи с этим

скорость передачи данных в таких сетях существенно ниже чем в локальных

Независимо от того какую территорию покрывает сеть какие технологические решения

лежат в основе ее организации существуют общие принципы сетевого взаимодействия

которым должно подчиняться функционирование сети Именно выработка таких общих

- 20 -

принципов способствовала в свое время появлению Интернет (Internet) как объединенной

сети (иногда даже используется термин гиперсеть) собравшей в своем составе

локальные городские и глобальные сети всей планеты

Модель сетевого взаимодействия

В 1984 году Международной Организацией по Стандартизации (International Standard

Organization ISO) была разработана модель взаимодействия открытых систем (Open

Systems Interconnection OSI) Модель представляет собой международный стандарт для

проектирования сетевых коммуникаций и предполагает уровневый подход к построению

сетей Каждый уровень модели обслуживает различные этапы процесса взаимодействия

Посредством деления на уровни сетевая модель OSI упрощает совместную работу

оборудования и программного обеспечения Модель OSI разделяет сетевые функции на

семь уровней прикладной уровень представления сессионный транспортный сетевой

канальный и физический

Физический уровень (Physical layer) определяет способ физического соединения

компьютеров в сети Функциями средств относящихся к данному уровню являются

побитовое преобразование цифровых данных в сигналы передаваемые по физической

среде (например по кабелю) а также собственно передача сигналов

Канальный уровень(Data Link layer) отвечает за организацию передачи данных между

абонентами через физический уровень поэтому на данном уровне предусмотрены

средства адресации позволяющие однозначно идентифицировать отправителя и

получателя во всем множестве абонентов подключенных к обще линии связи В функции

данного уровня также входит упорядочивание передачи с целью параллельного

использования одной линии связи несколькими парами абонентов Кроме того средства

канального уровня обеспечивают проверку ошибок которые могут возникать при

передаче данных физическим уровнем

Сетевой уровень(Network layer) обеспечивает доставку данных между компьютерами

сети представляющей собой объединение различных физических сетей Данный уровень

предполагает наличие средств логической адресации позволяющих однозначно

- 21 -

идентифицировать компьютер в объединенной сети Одной из главных функций

выполняемых средствами данного уровня является целенаправленная передача данных

конкретному получателю

Транспортный уровень(Transport layer) реализует передачу данных между двумя

программами функционирующими на разных компьютерах обеспечивая при этом

отсутствие потерь и дублирования информации которые могут возникать в результате

ошибок передачи нижних уровней В случае если данные передаваемые через

транспортный уровень подвергаются фрагментации то средства данного уровня

гарантируют сборку фрагментов в правильном порядке

Сессионный (или сеансовый) уровень (Session layer) позволяет двум программам

поддерживать продолжительное взаимодействие по сети называемое сессией (session)

или сеансом Этот уровень управляет установлением сеанса обменом информацией и

завершением сеанса Он также отвечает за идентификацию позволяя тем самым только

определенным абонентам принимать участие в сеансе и обеспечивает работу служб

безопасности с целью упорядочивания доступа к информации сессии

Уровень представления(Presentation layer) осуществляет промежуточное

преобразование данных исходящего сообщения в общий формат который предусмотрен

средствами нижних уровней а также обратное преобразование входящих данных из

общего формата в формат понятный получающей программе

Основные принципы уровневого взаимодействия

При уровневой организации процесса взаимодействия должны соблюдаться следующие

требования

компоненты одного уровня одной системы могут взаимодействовать с

компонентами только того же уровня другой системы

в рамках одной системы компоненты какого-либо уровня могут взаимодействовать

только с компонентами смежных (вышележащего и нижележащего) уровней

Набор правил определяющих порядок взаимодействия средств относящихся к одному и

тому же уровню и функционирующих в разных системах называется протоколом

(protocol) Правила взаимодействия между собой средств относящихся к смежным

уровням и функционирующих в одной системе называются интерфейсом (interface)

Функции физического уровня

Физический уровень определяет способ физического соединения компьютеров в сети

Основными функциями средств относящихся к данному уровню является побитовое

преобразование цифровых данных в сигналы среды передачи а также собственно

передача сигналов по физической среде

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно распространение

информационных сигналов в виде электрических световых и тп импульсов В настоящее

время выделяют два основных типа физических соединений соединения с помощью

кабеля и беспроводные соединения

- 22 -

Кабель (cable) используемый для построения компьютерных сетей представляет собой

сложную конструкцию состоящую в общем случае из проводников изолирующих и

экранирующих слоев В современных сетях используются три типа кабеля

Каждый тип кабеля отличается от других внутренним устройством и обладает целым

набором технических характеристик влияющих на основные потребительские параметры

сетей

Тип кабеля Характеристика

Максимальное

расстояние передачи

Максимальная

скорость передачи

Коаксиальный

кабель 185 ndash 500 м 10 Мбитс

Витая пара 30 ndash 100 м 10 Мбитс ndash 1

Гбитс

Оптоволоконный

кабель 2 км

10 Мбитс ndash 2

Гбитс

Топология сети - способ соединения компьютеров с помощью физической среды

Если сеть состоит всего из двух компьютеров то они соединяются напрямую Такой

способ соединения получил название точка-точка (point-to-point)

Выделяют три базовые топологии Шина (bus) Кольцо (ring) Звезда(star)

laquoШинаraquo - использует один передающий канал на базе коаксиального кабеля называемый

шиной Все сетевые компьютеры присоединяются напрямую к шине На концах кабеля-

шины устанавливаются специальные заглушки - терминаторы (terminator) Они

необходимы для того чтобы погасить сигнал после прохождения по шине К недостаткам

топологии Шина следует отнести следующее

данные предаваемые по кабелю доступны всем подключенным компьютерам

в случае повреждения шины вся сеть перестает функционировать

laquoКольцоraquo - характерно отсутствие конечных точек соединения сеть замкнута образуя

неразрывное кольцо по которому передаются данные Эта топология подразумевает

следующий механизм передачи данные передаются последовательно от одного

компьютера к другому пока не достигнут компьютера-получателя Недостатки топологии

кольцо те же то и у топологии шина

общедоступность данных

неустойчивость к повреждениям кабельной системы

В сети с топологией звезда все компьютеры соединены со специальным устройством

называемым сетевым концентратором или хабом (hub) который выполняет функции

- 23 -

распределения данных Прямые соединения двух компьютеров в сети отсутствуют

Благодаря этому имеется возможность решения проблемы общедоступности данных а

также повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы Однако

функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора

Канальный уровень - отвечает за организацию передачи данных между абонентами

через физический уровень поэтому на данном уровне предусмотрены средства адресации

позволяющие однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к общему физическому каналу В функции данного

уровня также входит упорядочивание передачи с целью обеспечения возможности

параллельного использования одного физического канала несколькими парами абонентов

Средства канального уровня обеспечивают проверку ошибок которые могут возникать

при передаче данных физическим уровнем Большинство функций канального уровня

выполняются устройствами передачи данных (например сетевым адаптером)

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена способ

представления информации а также необходимый набор правил позволяющий

упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток битов Перед

передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с принципом пакетной

коммутации разделяется на порции каждая из которых снабжается заголовком

содержащим некоторую служебную информацию те формируется пакет На канальном

уровне пакет называется кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает протокол Сложность

канальных протоколов во многом определяется сложностью топологии сети Очевидно

что организовать общение всего двух абонентов существенно проще чем упорядочивать

информационный обмен в сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких

пар абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Сетевой уровень - сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

- 24 -

адресации определенных различными технологиями Поэтому для обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого уровня модели OSI Устройства этого уровня предназначенные для объединения сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку составной сети Процесс определения пути прохождения данных через подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название маршрутизаторов

Транспортный уровень Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных

между устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд) Однако

не следует забывать что на одном узле может функционировать параллельно несколько

программ которым требуется доступ к сети Следовательно данные внутри

компьютерной системы должны распределяться между программами Поэтому при

передаче данных по сети недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо

также идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является отсутствие средств

позволяющих передавать большие массивы данных Когда исходные данные превышают

максимально допустимый размер пакета сетевого уровня то эти данные должны быть

разбиты на порции каждая из которых передается в сеть отдельным пакетом Однако

каждый пакет сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других

блок данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и следовательно ndash

обнаружить нарушение целостности общего массива данных Поэтому средства

транспортного уровня обеспечивают отсутствие потерь информации Такой режим

передачи данных получил название гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой функциональную

надстройку над сетевым уровнем и решают две основных задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

- 25 -

обеспечение гарантированной доставки массивов данных произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash UDP

обеспечивающий негарантированную доставку данных между программами и TCP

обеспечивающий гарантированную доставку с установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной уровень - Компоненты четырех

нижних уровней модели OSI (физического канального сетевого и транспортного)

представляют собой механизм обеспечивающий доставку данных любого типа и

произвольного объема между программами работающими на разных узлах составной

сети Однако при работе в сети пользователям требуется не просто пересылка данных а

выполнение каких-либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех возможностей

которые предоставляют средства нижних уровней недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо просмотреть

документ расположенный не на его локальном компьютере а на удаленной машине

Решение такой задачи предполагает как минимум прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса содержащего имя

документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной машины

изменений вносимых в этот документ другими пользователями и уведомление об этом

пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав пользователя на

работу с документом что предполагает дополнительный обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних уровней не имеют

средств позволяющих реализовать специфику такого взаимодействия Поэтому для его

организации требуются дополнительные надстройки над средствами транспортного и

нижележащих уровней В эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный

уровень уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или сессии) при

длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое (виртуальное) соединение между

двумя программами в общем случае функционирующими на разных компьютерах В

простейшем случае установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти необходимых для

приема и передачи данных После окончания передачи данных происходит закрытие

соединения предполагающее освобождение выделенных ресурсов Во многих случаях

этого недостаточно поэтому сессионный уровень предлагает более сложные механизмы

для организации сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая поддержка

осуществляется путем периодической отправки специальных тестовых пакетов при

получении которых участник соединения должен ответить Возвращаясь к

предложенному выше примеру следует отметить что установление соединения при

работе с удаленным документом позволяет один раз перед началом работы проверить

- 26 -

права доступа пользователя а также один раз передать запрос с именем файла В случае

если бы соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог бы

уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться дополнительное

преобразование Например это необходимо в случае если взаимодействующие

программы используют различные способы кодировки текстовой информации или если

для обеспечения защиты информации требуется осуществлять шифрование данных

Обеспечение подобных промежуточных преобразований возложено на уровень

представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными уровнями Они

позволяют осуществлять работу с различными информационными ресурсами сети

например файлами или сообщениями электронной почты Естественно что различные

типы ресурсов в общем случае требуют различных методов обработки и в том числе

методов сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI является

прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции работы с конкретными

информационными объектами В предложенном выше примере (чтение удаленного

документа) к функциям прикладного протокола относятся формирование запросов на

получение документа проверка прав доступа а также определение порядка пересылки

файлов и уведомлений об изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами определяемых

протоколами прикладного уровня часть функций сессионного уровня и уровня

представления может оказаться избыточной поэтому при программной реализации три

верхних уровня обычно объединяются

Модель сетевого взаимодействия

В 1984 году Международной Организацией по Стандартизации (International

Standard Organization ISO) была разработана модель взаимодействия

открытых систем (Open Systems Interconnection OSI) Модель представляет

собой международный стандарт для проектирования сетевых коммуникаций

и предполагает уровневый подход к построению сетей Каждый уровень

модели обслуживает различные этапы процесса взаимодействия

Посредством деления на уровни сетевая модель OSI упрощает совместную

работу оборудования и программного обеспечения Модель OSI разделяет

сетевые функции на семь уровней прикладной уровень представления

сессионный транспортный сетевой канальный и физический

Ниже дается краткая характеристика уровней модели

Физический уровень (Physical layer) определяет способ физического

соединения компьютеров в сети Функциями средств относящихся к

данному уровню являются побитовое преобразование цифровых

- 27 -

данных в сигналы передаваемые по физической среде (например по

кабелю) а также собственно передача сигналов

Канальный уровень(Data Link layer) отвечает за организацию передачи

данных между абонентами через физический уровень поэтому на

данном уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к обще линии связи В функции

данного уровня также входит упорядочивание передачи с целью

параллельного использования одной линии связи несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем

Сетевой уровень(Network layer) обеспечивает доставку данных между

компьютерами сети представляющей собой объединение различных

физических сетей Данный уровень предполагает наличие средств

логической адресации позволяющих однозначно идентифицировать

компьютер в объединенной сети Одной из главных функций

выполняемых средствами данного уровня является целенаправленная

передача данных конкретному получателю

Транспортный уровень(Transport layer) реализует передачу данных

между двумя программами функционирующими на разных

компьютерах обеспечивая при этом отсутствие потерь и дублирования

информации которые могут возникать в результате ошибок передачи

нижних уровней В случае если данные передаваемые через

транспортный уровень подвергаются фрагментации то средства

данного уровня гарантируют сборку фрагментов в правильном

порядке

Сессионный (или сеансовый) уровень (Session layer) позволяет двум

программам поддерживать продолжительное взаимодействие по сети

называемое сессией (session) или сеансом Этот уровень управляет

установлением сеанса обменом информацией и завершением сеанса

Он также отвечает за идентификацию позволяя тем самым только

определенным абонентам принимать участие в сеансе и обеспечивает

работу служб безопасности с целью упорядочивания доступа к

информации сессии

Уровень представления(Presentation layer) осуществляет

промежуточное преобразование данных исходящего сообщения в

общий формат который предусмотрен средствами нижних уровней а

также обратное преобразование входящих данных из общего формата в

формат понятный получающей программе

Прикладной уровень (Application layer) предоставляет

высокоуровневые функции сетевого взаимодействия такие как

передача файлов отправка сообщений по электронной почте и тп

Основные принципы уровневого взаимодействия

- 28 -

При уровневой организации процесса взаимодействия должны соблюдаться

следующие требования

компоненты одного уровня одной системы могут взаимодействовать с

компонентами только того же уровня другой системы

в рамках одной системы компоненты какого-либо уровня могут

взаимодействовать только с компонентами смежных (вышележащего и

нижележащего) уровней

Порядок уровневого взаимодействия

Набор правил определяющих порядок взаимодействия средств относящихся

к одному и тому же уровню и функционирующих в разных системах

называется протоколом (protocol) Правила взаимодействия между собой

средств относящихся к смежным уровням и функционирующих в одной

системе называются интерфейсом (interface)

Практическая реализация уровневого взаимодействия

На практике протоколы и интерфейсы регламентируют технические

требования предъявляемые к программным и аппаратным средствам

Программные (аппаратные) модули предназначенные для обеспечения

практического взаимодействия определяемого тем или иным протоколом

(или интерфейсом) обычно называют реализацией протокола (или

интерфейса)

Хотя различные компоненты относящиеся к различным уровням сетевой

модели формально должны быть функционально независимыми друг от

друга при практической разработке протоколов такая независимость не

всегда выдерживается Это объясняется тем что попытка добиться точного

соответствия эталонной модели может привести к неэффективности работы

программно-аппаратного обеспечения реализующего протокол В настоящее

время наблюдается два типа отклонений возникающих при реализации

уровневого взаимодействия

- 29 -

функции некоторых уровней могут объединяться одним протоколом и

наоборот ndash функции одного уровня могут делиться между различными

протоколами

функционирование протокола какого-либо уровня подразумевают

использование только определенных протоколов нижележащего

уровня

Поэтому разработка практических методов сетевого взаимодействия как

правило подразумевает разработку не отдельных протоколов а целых

наборов протоколов Такие наборы обычно включают в себя протоколы

относящиеся к нескольким смежным уровням эталонной модели OSI и

называются стеками (или семействами наборами) протоколов (protocol stack

protocol suite) Наиболее известным стеком протоколов обеспечивающим

взаимодействие в сети Интернет является стек протоколов TCPIP

Физический уровень

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Среда передачи

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Физический уровень определяет способ физического соединения

компьютеров в сети Основными функциями средств относящихся к

данному уровню является побитовое преобразование цифровых данных в

сигналы среды передачи а также собственно передача сигналов по

физической среде

Кабельные системы

- 30 -

Кабель (cable) используемый для построения компьютерных сетей

представляет собой сложную конструкцию состоящую в общем случае из

проводников изолирующих и экранирующих слоев В современных сетях

используются три типа кабеля

Еще одним важным понятием физического уровня является способ

соединения компьютеров с помощью физической среды или топология сети

Если сеть состоит всего из двух компьютеров то они соединяются

напрямую Такой способ соединения получил название точка-точка

(point-to-point)

Соединение типа точка-точка

Для обеспечения связи более чем двух компьютеров может использоваться

последовательность соединений типа точка-точка

Последовательность соединений типа точка-точка

Однако такой подход требует установки на большую часть компьютеров

нескольких устройств передачи данных

В качестве альтернативного подхода возможно использование более

сложных топологий позволяющих подключить к общей среде сразу

несколько компьютеров имеющих по одному устройству передачи данных

- 31 -

Выделяют три базовые топологии Шина (bus) Кольцо (ring)

Звезда(star)

Топология laquoШинаraquo

Топология Шина

Эта топология использует один передающий канал на базе коаксиального

кабеля называемый шиной Все сетевые компьютеры присоединяются

напрямую к шине На концах кабеля-шины устанавливаются специальные

заглушки - терминаторы (terminator) Они необходимы для того чтобы

погасить сигнал после прохождения по шине К недостаткам топологии

Шина следует отнести следующее

данные предаваемые по кабелю доступны всем подключенным

компьютерам

в случае повреждения шины вся сеть перестает функционировать

Топология laquoКольцоraquo

Топология Кольцо

Для топологии кольцо характерно отсутствие конечных точек соединения

сеть замкнута образуя неразрывное кольцо по которому передаются данные

Эта топология подразумевает следующий механизм передачи данные

передаются последовательно от одного компьютера к другому пока не

- 32 -

достигнут компьютера-получателя Недостатки топологии кольцо те же то

и у топологии шина

общедоступность данных

неустойчивость к повреждениям кабельной системы

Топология laquoЗвездаraquo

Топология Звезда

В сети с топологией звезда все компьютеры соединены со специальным

устройством называемым сетевым концентратором или хабом (hub)

который выполняет функции распределения данных Прямые соединения

двух компьютеров в сети отсутствуют Благодаря этому имеется

возможность решения проблемы общедоступности данных а также

повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы Однако

функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора

Физическая и логическая топологии

Следует отметить что термин топология может употребляться для

обозначения двух понятий ndash физической топологии и логической топологии

Физическая топология ndash способ физического соединения компьютеров с

помощью среды передачи например участками кабеля Логическая

топология определяет маршруты передачи данных в сети Во многих

случаях физическая топология однозначно определяет логическую

топологию Однако существуют такие конфигурации в которых логическая

топология отличается от физической Например сеть с физической

- 33 -

топологией laquoзвездаraquo может иметь логическую топологию laquoшинаraquo ndash все

зависит от того каким образом устроен сетевой концентратор

Кодированиедекодирование данных Как известно данные обрабатываемые

компьютером представляются в двоичном виде - как последовательность

нулей и единиц Однако понятия нуль и единица являются логическими

понятиями обозначающими электрические сигналы отличающиеся друг от

друга физическими параметрами и использующиеся для представления

информации в различных устройствах например оперативной памяти или

центральном процессоре В силу различных технических причин эти сигналы

не всегда могут передаваться по физическим каналам связи Поэтому они

должны быть преобразованы Процесс преобразования сигналов удобных

для компьютера в сигналы которые могут быть переданы по сети

называется физическим кодированием а обратное преобразование -

декодированием

Передача сигналов Информационные сигналы передаются по физическим

линиям связи последовательно В случае если между передающей и

принимающей сторонами параллельно существуют более одной линии

например проложено несколько кабелей то оказывается возможным

одновременно (параллельно) передавать несколько сигналов Если эти

сигналы представляют различные биты передаваемых данных то

повышается скорость информационного обмена Если же сигналы

представляют один и тот же бит данных - то повышается надежность

взаимодействия

Канальный уровень

Канальный уровень отвечает за организацию передачи данных

между абонентами через физический уровень поэтому на данном

уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к общему физическому

каналу В функции данного уровня также входит упорядочивание

передачи с целью обеспечения возможности параллельного

использования одного физического канала несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем Большинство функций канального уровня

выполняются устройствами передачи данных (например сетевым

- 34 -

адаптером)

Метод коммутации

дной из центральных проблем организации передачи данных по физическим

каналам является проблема параллельного использования одного и того же

канала несколькими парами абонентов Методы лежащие в основе ее

решения получили название методов коммутации

В настоящее время существует два основных метода коммутации

коммутация каналов и коммутация пакетов

Коммутация каналов предполагает что перед началом передачи данных

должна быть выполнена процедура установления соединения в результате

которой образуется составной канал По окончании сеанса связи соединение

разрывается и канал освобождается Классическим примером реализации

коммутации каналов является телефонная связь которая подразумевает что

абонент перед началом разговора набирает номер второго абонента в

результате чего последовательное переключение промежуточных

коммутаторов позволяет образовать непрерывный канал связи между

абонентами Коммутация каналов удобна для организации линий связи в

которых подразумевается передача потоков данных постоянной

интенсивности например таких как телефонный разговор в силу чего этот

метод оказывается недостаточно гибким при построении компьютерных

сетей

Метод коммутации пакетов основан на разбиении передаваемых по сети

данных на небольшие порции Каждая такая порция передается по сети

как единое целое и называется пакетом Такой метод является очень

удобным для параллельного использования физического канала несколькими

парами абонентов канал является занятым только во время прохождения

пакета Временные промежутки между передачей пакетов одним абонентам

могут быть использованы другими для отправки собственных пакетов

Пакет обычно состоит из двух частей ndash заголовка содержащего служебные

данные необходимые для управления доставкой пакета и собственно

данных подлежащих передаче Порядок обмена пакетами а также

конкретный состав заголовка пакетов определяется сетевым протоколом

Для именования пакетов различных уровней модели OSI используются

специальные термины Для канального уровня используется термин кадр

для сетевого ndash пакет для транспортного ndash сегмент дейтаграмма для

сессионного и более высоких уровней ndash сообщение

- 35 -

Протоколы канального уровня

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена

способ представления информации а также необходимый набор правил

позволяющий упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток

битов Перед передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с

принципом пакетной коммутации разделяется на порции каждая из

которых снабжается заголовком содержащим некоторую служебную

информацию те формируется пакет На канальном уровне пакет называется

кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает

протокол Сложность канальных протоколов во многом определяется

сложностью топологии сети Очевидно что организовать общение всего двух

абонентов существенно проще чем упорядочивать информационный обмен в

сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких пар

абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Структура кадра данных

Состав заголовка кадра зависит от многих факторов определяемых набором

функций которые выполняет протокол Тем не менее можно выделить ряд

информационных полей которые обычно присутствуют в заголовке кадра К

таким полям относятся

1 Специальные поля предназначенные для определения границ кадров

Поскольку в физической среде могут постоянно проходить какие-либо

сигналы то сетевые адаптеры должны уметь разбираться в том когда

начинается передача кадра и когда она заканчивается

2 Поле предназначенное для определения протокола сетевого уровня

которому необходимо передать данные Так как на одном компьютере могут

функционировать программные модули различных протоколов сетевого

уровня то протоколы канального уровня должны уметь распределять данные

по этим протоколам

3 Контрольная сумма (или специальный код) содержимого кадра которая

позволяет принимающей стороне определить наличие ошибок в принятых

данных Принцип ее использования состоит в следующем Сетевой адаптер

отправляющего компьютера после формирования кадра вычисляет значение

- 36 -

его контрольной суммы на основе содержимого и помещает это значение в

заголовок кадра Принимающая сторона также вычисляет контрольную

сумму полученного кадра и сравнивает его со значением помещенным в

заголовке Если они не совпадают то это означает что во время передачи

кадра произошла ошибка

4 Поля предназначенные для адресации абонентов в сложных сетях

(определены для протоколов применяемых в сетях базирующихся на

сложных топологиях)

Обобщенная структура кадра данных

Протоколы для сетей сложных топологий

Протоколы канального уровня этой группы являются более сложными чем

протоколы использующиеся в сетях типа точка-точка так как вынуждены

выполнять ряд дополнительных функций Основными функциями являются

Выделение на всем множестве компьютеров подключенных к сети

конкретного абонента с которым осуществляется информационный обмен

то есть адресация

Адресация абонентов

Упорядочивание доступа к среде передачи в случае когда нескольким парам

абонентов требуется осуществить передачу данных

Для обеспечения адресации абонентов в заголовке кадров должны

присутствовать следующие поля

- 37 -

1 Адрес отправителя ndash некоторое число (или набор чисел) позволяющее

идентифицировать сетевой адаптер (а следовательно и компьютер в

котором она установлена) который осуществил передачу кадра данных в

сеть Адреса присваиваются сетевым адаптерам на заводе-изготовителе и

как правило не изменяются в дальнейшем хотя большинство современных

адаптеров позволяют перепрограммировать сетевой адрес

Протоколы канального уровня и сетевые технологии

Функциональный состав того или иного протокола канального уровня во

многом определяется особенностями физического уровня например

топологией сети или типом среды передачи Поэтому при проектировании

сетевого взаимодействия используются и разрабатываются комплексные

стандарты получившие название сетевых технологий

Сетевая технология ndash это набор стандартов определяющий минимальный

состав программно-аппаратных средств достаточный для организации

взаимодействия компьютеров в сети Как правило сетевая технология

определяет топологию сети а также протокол канального уровня (формат

кадра порядок обмена кадрами MTU)

В настоящее время существует большое количество сетевых технологий и

соответственно определяемых ими протоколов канального уровня

Рассмотрим для примера одну из наиболее популярных в настоящее время

технологий ndash технологию локальных сетей Ethernet Эта технология

предполагает что сеть должна строиться на основе физических топологий

шина если используется коаксиальный кабель или звезда если

используется кабель типа витая пара В зависимости от типа используемого

кабеля скорость передачи данных лежит в диапазоне 10-100 Мбитс В

качестве метода доступа к среде передачи используется метод обнаружения

коллизий (CSMACD) Что касается формата кадра то в настоящее время на

практике используются 4 варианта кадров Ethernet отличающихся друг от

друга но все они согласуются с общими положениями изложенными ранее

Максимальный объем данных передаваемых в одном кадре (MTU) в

технологии Ethernet не может превышать 1500 байт

Помимо технологии Ethernet в настоящее время в локальных сетях широко

используются технологии AppleTalk FDDI и ATM В глобальных сетях

широко распространены технологии ATM FrameRelay ISDN и SMDS

Существует также ряд технологий использующихся для организации

беспроводных сетей Наиболее популярной технологией применяемой при

- 38 -

построении локальных сетей в настоящее время является технология

RadioEthernet Она предполагает передачу данных в двух УКВ-диапазонах

около 915 МГЦ и 2400-24835 МГц а также в инфракрасном спектре

Диапазон 915 МГц в России и Европе достаточно сильно загружен

средствами связи (сотовая телефония) поэтому он используется как

правило для организации сетей внутри зданий хотя технически позволяет

осуществлять передачу на значительные расстояния Это же ограничение

распространяется и на инфракрасный диапазон поскольку инфракрасные

лучи чувствительны к погодным условиям В зависимости от того какой

режим передачи используется сети RadioEthernet позволяют осуществлять

передачу данных со скоростью 2 - 10 Мбитс Технология RadioEthernet

предполагает построение сетей на базе топологий точка-точка и звезда В

качестве метода доступа используется метод предупреждения коллизий

(CSMACA)

Наряду с кабельными и беспроводными технологиями существуют также

технологии предполагающие комбинирование различных типов физической

среды передачи Обычно они применяются для построения асимметричных

сетей небольшие по объему запросы пользовательских компьютеров

передаются по кабельным каналам например с использованием телефонных

линий и модемов а прием осуществляется через спутниковый радиоканал

Объединение сетей на канальном уровне

Сложные сети в общем случае представляют собой совокупность

нескольких сетей Такие сети называются объединенными сетями

(internetwork)

Необходимость объединения сетей может быть вызвана разными причинами

Прежде всего это - преодоление технических ограничений среды передачи

например максимального расстояния передачи данных Кроме того

построение сети как объединенной позволяет повысить надежность (выход

из строя одной физической среды не влияет на работу остальных) и

обеспечить определенный уровень конфиденциальности (данные

передаваемые между компьютерами одной физической среды оказываются

недоступными компьютерам других сетей)

Для построения объединенных сетей требуются специальные устройства

которые позволяют подключать к себе две (или более) сети Наиболее

простым устройством такого вида является мост (bridge)

Мост

- 39 -

Принцип функционирования моста достаточно прост для подключения сетей

мост располагает несколькими портами с каждым из которых связываются

записи так называемой адресной таблицы содержащей список адресов

компьютеров сетей подключенных к мосту Когда мост получает кадр

данных то он передает его в сеть через порт который согласно таблице

соответствует адресу получателя В случае если адрес получателя не

обнаружен в адресной таблице то кадр передается во все сети Адресные

таблицы мостов как правило строятся на основе анализа кадров

передаваемых по сетям

Функции сетевого уровня

Сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе

различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне

достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети

но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети

с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это

объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

адресации определенных различными технологиями Поэтому для

обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства

представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую

абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых

технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого

уровня модели OSI

Очевидно что устройства этого уровня предназначенные для объединения

сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального

уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную

передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть

определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку

составной сети Процесс определения пути прохождения данных через

подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства

объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название

маршрутизаторов

- 40 -

Протокол IP

Протокол IP (Internet Protocol) входит в состав стека протоколов TCPIP и

является основным протоколом сетевого уровня использующимся в

Интернет и обеспечивающим единую схему логической адресации устройств

в сети и маршрутизацию данных

Для выполнения своих функций протокол определяет свой собственный

формат пакета Основными информационными полями заголовка пакета

являются

IP-адреса отправителя и получателя ndash предназначены для

идентификации отправителя и получателя (см IP-адресация)

Время жизни пакета (Time To Live TTL) - определяет время которое

IP-пакет может находиться в сети и предназначено для

предотвращения захламления сети заблудившимися пакетами

поля предназначенные для фрагментации пакетов (см IP-

фрагментация)

поля предназначенные для управления обработкой пакета (длина

пакета и заголовка контрольная сумма заголовка тип обслуживания и

тд)

Существует 5 классов IP-адресов ndash A B C D E Принадлежность IP-

адреса к тому или иному классу определяется значением первого

октета (W) Ниже показано соответствие значений первого октета и

классов адресов

Класс IP-адреса A B C D E

Диапазон первого

октета

1-

126

128-

191

192-

223

224-

239

240-

247

IP-адреса первых трех классов предназначены для адресации

отдельных узлов и отдельных сетей Такие адреса состоят из двух

частей ndash номера сети и номера узла Такая схема аналогична схеме

почтовых индексов ndash первые три цифры кодируют регион а остальные

ndash почтовое отделение внутри региона

Преимущества двухуровневой схемы очевидны она позволяет во-

первых адресовать целиком отдельные сети внутри составной сети

что необходимо для обеспечения маршрутизации а во-вторых ndash

присваивать узлам номера внутри одной сети независимо от других

сетей Естественно что компьютеры входящие в одну и ту же сеть

должны иметь IP-адреса с одинаковым номером сети

- 41 -

IP-Маршрутизация ndash процесс выбора пути для передачи пакета в сети Под

путем (маршрутом) понимается последовательность маршрутизаторов через

которые проходит пакет по пути к узлу-назначению IP-маршрутизатор ndash это

специальное устройство предназначенное для объединения сетей и

обеспечивающее определение пути прохождения пакетов в составной сети

Маршрутизатор должен иметь несколько IP-адресов с номерами сетей

соответствующими номерам объединяемых сетей

Как известно для разных сетевых технологий значение MTU определенное

для кадров данных может отличаться Поэтому при преобразовании кадров

на маршрутизаторе может потребоваться разделение вложенных в них IP-

пакетов на более мелкие пакеты

Для разделения пакетов на фрагменты модуль IP установленный на

маршрутизаторе создает на его основе некоторое число новых пакетов (в

соответствии с длиной исходного пакета и значения MTU для сети куда

должны быть переданы данные) Для того чтобы данные могли быть

правильно собраны получателем в заголовки новых IP-пакетов помещается

специальный числовой идентификатор позволяющий однозначно

определить что эти пакеты являются фрагментами одного большого пакета

Кроме того в заголовках также указывается положения фрагментов в

исходном пакете что позволяет обеспечить правильный порядок сборки

получателем

Вспомогательные протоколы сетевого уровня стека TCPIP

Главными функциями протокола IP является обеспечение единой схемы

адресации независимой от принципов адресации определяемых сетевыми

технологиями (адресацией канального уровня) а также передача данных по

составной сети (маршрутизация и фрагментация пакетов) Однако для

организации реального взаимодействия этого оказывается недостаточно -

существует еще ряд проблем

Первая проблема состоит в следующем Для того чтобы передать данные по

сети программное обеспечение протокола IP создает пакет и передает его

средствам канального уровня При этом средствам канального уровня для

формирования кадра данных необходим адрес получателя причем не

логический IP-адрес а MAC-адрес который может быть правильно опознан

сетевым адаптером принимающего компьютера Однако спецификацией

протокола IP не предусмотрен механизм позволяющий определять

соответствие между аппаратными и IP-адресами Эту функцию выполняет

вспомогательный протокол сетевого уровня ARP (Address Resolution

Protocol) входящий в семейство протоколов TCPIP

- 42 -

Другая серьезная проблема состоит в том что если при обработке IP-пакета

на маршрутизаторе возникли какие-то проблемы например истекло время

жизни пакета то отправитель о них не узнает поскольку механизм

обратной связи также не предусмотрен спецификацией протокола IP Для

решения этой проблемы используется специальный протокол сетевого

уровня ICMP (Internet Control Message Protocol) входящий в стек протоколов

TCPIP и обеспечивающий передачу управляющей информации и

информации об ошибках

В семействе протоколов TCPIP предусмотрен также ряд других

вспомогательных протоколов например протоколы динамической

маршрутизации обеспечивающие обмен информацией между

маршрутизаторами с целью автоматизации построения таблиц

маршрутизации

Транспортный уровень

Функции транспортного уровня

Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных между

устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд)

Однако не следует забывать что на одном узле может функционировать

параллельно несколько программ которым требуется доступ к сети

Следовательно данные внутри компьютерной системы должны

распределяться между программами Поэтому при передаче данных по сети

недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо также

идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является

отсутствие средств позволяющих передавать большие массивы данных

Когда исходные данные превышают максимально допустимый размер пакета

сетевого уровня то эти данные должны быть разбиты на порции каждая из

которых передается в сеть отдельным пакетом Однако каждый пакет

сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других блок

данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и

следовательно ndash обнаружить нарушение целостности общего массива

данных Поэтому средства транспортного уровня обеспечивают отсутствие

потерь информации Такой режим передачи данных получил название

гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой

- 43 -

функциональную надстройку над сетевым уровнем и решают две основных

задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

обеспечение гарантированной доставки массивов данных

произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash

UDP обеспечивающий негарантированную доставку данных между

программами и TCP обеспечивающий гарантированную доставку с

установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной

уровень

Компоненты четырех нижних уровней модели OSI (физического канального

сетевого и транспортного) представляют собой механизм обеспечивающий

доставку данных любого типа и произвольного объема между программами

работающими на разных узлах составной сети Однако при работе в сети

пользователям требуется не просто пересылка данных а выполнение каких-

либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех

возможностей которые предоставляют средства нижних уровней

недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо

просмотреть документ расположенный не на его локальном компьютере а

на удаленной машине Решение такой задачи предполагает как минимум

прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса

содержащего имя документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного

компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной

машины изменений вносимых в этот документ другими пользователями и

уведомление об этом пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав

пользователя на работу с документом что предполагает дополнительный

- 44 -

обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних

уровней не имеют средств позволяющих реализовать специфику такого

взаимодействия Поэтому для его организации требуются дополнительные

надстройки над средствами транспортного и нижележащих уровней В

эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный уровень

уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или

сессии) при длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое

(виртуальное) соединение между двумя программами в общем случае

функционирующими на разных компьютерах В простейшем случае

установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти

необходимых для приема и передачи данных После окончания передачи

данных происходит закрытие соединения предполагающее освобождение

выделенных ресурсов Во многих случаях этого недостаточно поэтому

сессионный уровень предлагает более сложные механизмы для организации

сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая

поддержка осуществляется путем периодической отправки специальных

тестовых пакетов при получении которых участник соединения должен

ответить Возвращаясь к предложенному выше примеру следует отметить

что установление соединения при работе с удаленным документом позволяет

один раз перед началом работы проверить права доступа пользователя а

также один раз передать запрос с именем файла В случае если бы

соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог

бы уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться

дополнительное преобразование Например это необходимо в случае если

взаимодействующие программы используют различные способы кодировки

текстовой информации или если для обеспечения защиты информации

требуется осуществлять шифрование данных Обеспечение подобных

промежуточных преобразований возложено на уровень представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными

уровнями Они позволяют осуществлять работу с различными

информационными ресурсами сети например файлами или сообщениями

электронной почты Естественно что различные типы ресурсов в общем

случае требуют различных методов обработки и в том числе методов

сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI

- 45 -

является прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции

работы с конкретными информационными объектами В предложенном выше

примере (чтение удаленного документа) к функциям прикладного протокола

относятся формирование запросов на получение документа проверка прав

доступа а также определение порядка пересылки файлов и уведомлений об

изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами

определяемых протоколами прикладного уровня часть функций сессионного

уровня и уровня представления может оказаться избыточной поэтому при

программной реализации три верхних уровня обычно объединяются

Page 17: - 3 - ВВЕДЕНИЕicm.muctr.ru/study/computers/inf001.pdf · 2016-08-25 · - 7 - А) Количество информации как мера уменьшения неопределенности

- 19 -

Глава 5ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ

Компьютерные сети

Понятие компьютерной сети

Компьютерная сеть (Computer Network) ndash это множество компьютеров соединенных

линиями связи и работающих под управлением специального программного обеспечения

Под линией связи обычно понимают совокупность технических устройств и

физической среды обеспечивающих передачу сигналов от передатчика к приемнику В

реальной жизни примерами линий связи могут служить участки кабеля и усилители

обеспечивающие передачу сигналов между коммутаторами телефонной сети На основе

линий связи строятся каналы связи

Каналом связи обычно называют систему технических устройств и линий связи

обеспечивающую передачу информации между абонентами Соотношение между

понятиями канал и линия описывается следующим образом канал связи может

включать в себя несколько разнородных линий связи а одна линия связи может

использоваться несколькими каналами

Главной целью объединения компьютеров в сеть является предоставление пользователям

возможности доступа к различным информационным ресурсам (например документам

программам базам данных и тд) распределенным по этим компьютерам и их

совместного использования

Важной характеристикой любой компьютерной сети является широта территории

которую она охватывает Широта охвата определятся взаимной удаленностью

компьютеров составляющих сеть и следовательно влияет на технологические решения

выбираемые при построении сети Классически выделяют два типа сетей локальные сети

и глобальные сети

К локальным сетям (Local Area Network LAN) обычно относят сети компьютеры

которых сосредоточены на относительно небольших территориях (как правило в радиусе

до 1-2 км) Классическим примером локальных сетей является сеть одного предприятия

расположенного в одном или нескольких стоящих рядом зданиях Небольшой размер

локальных сетей позволяет использовать для их построения достаточно дорогие и

высококачественные технологии что обеспечивает высокую скорость обмена

информацией между компьютерами

Глобальные сети (Wide Area Network WAN) ndash это сети предназначенные для

объединения отдельных компьютеров и локальных сетей расположенных на

значительном удалении (сотни и тысячи километров) друг от друга Поскольку

организация специализированных высококачественных каналов связи большой

протяженности является достаточно дорогой то в глобальных сетях нередко

используются уже существующие и изначально не предназначенные для построения

компьютерных сетей линии (например телефонные или телеграфные) В связи с этим

скорость передачи данных в таких сетях существенно ниже чем в локальных

Независимо от того какую территорию покрывает сеть какие технологические решения

лежат в основе ее организации существуют общие принципы сетевого взаимодействия

которым должно подчиняться функционирование сети Именно выработка таких общих

- 20 -

принципов способствовала в свое время появлению Интернет (Internet) как объединенной

сети (иногда даже используется термин гиперсеть) собравшей в своем составе

локальные городские и глобальные сети всей планеты

Модель сетевого взаимодействия

В 1984 году Международной Организацией по Стандартизации (International Standard

Organization ISO) была разработана модель взаимодействия открытых систем (Open

Systems Interconnection OSI) Модель представляет собой международный стандарт для

проектирования сетевых коммуникаций и предполагает уровневый подход к построению

сетей Каждый уровень модели обслуживает различные этапы процесса взаимодействия

Посредством деления на уровни сетевая модель OSI упрощает совместную работу

оборудования и программного обеспечения Модель OSI разделяет сетевые функции на

семь уровней прикладной уровень представления сессионный транспортный сетевой

канальный и физический

Физический уровень (Physical layer) определяет способ физического соединения

компьютеров в сети Функциями средств относящихся к данному уровню являются

побитовое преобразование цифровых данных в сигналы передаваемые по физической

среде (например по кабелю) а также собственно передача сигналов

Канальный уровень(Data Link layer) отвечает за организацию передачи данных между

абонентами через физический уровень поэтому на данном уровне предусмотрены

средства адресации позволяющие однозначно идентифицировать отправителя и

получателя во всем множестве абонентов подключенных к обще линии связи В функции

данного уровня также входит упорядочивание передачи с целью параллельного

использования одной линии связи несколькими парами абонентов Кроме того средства

канального уровня обеспечивают проверку ошибок которые могут возникать при

передаче данных физическим уровнем

Сетевой уровень(Network layer) обеспечивает доставку данных между компьютерами

сети представляющей собой объединение различных физических сетей Данный уровень

предполагает наличие средств логической адресации позволяющих однозначно

- 21 -

идентифицировать компьютер в объединенной сети Одной из главных функций

выполняемых средствами данного уровня является целенаправленная передача данных

конкретному получателю

Транспортный уровень(Transport layer) реализует передачу данных между двумя

программами функционирующими на разных компьютерах обеспечивая при этом

отсутствие потерь и дублирования информации которые могут возникать в результате

ошибок передачи нижних уровней В случае если данные передаваемые через

транспортный уровень подвергаются фрагментации то средства данного уровня

гарантируют сборку фрагментов в правильном порядке

Сессионный (или сеансовый) уровень (Session layer) позволяет двум программам

поддерживать продолжительное взаимодействие по сети называемое сессией (session)

или сеансом Этот уровень управляет установлением сеанса обменом информацией и

завершением сеанса Он также отвечает за идентификацию позволяя тем самым только

определенным абонентам принимать участие в сеансе и обеспечивает работу служб

безопасности с целью упорядочивания доступа к информации сессии

Уровень представления(Presentation layer) осуществляет промежуточное

преобразование данных исходящего сообщения в общий формат который предусмотрен

средствами нижних уровней а также обратное преобразование входящих данных из

общего формата в формат понятный получающей программе

Основные принципы уровневого взаимодействия

При уровневой организации процесса взаимодействия должны соблюдаться следующие

требования

компоненты одного уровня одной системы могут взаимодействовать с

компонентами только того же уровня другой системы

в рамках одной системы компоненты какого-либо уровня могут взаимодействовать

только с компонентами смежных (вышележащего и нижележащего) уровней

Набор правил определяющих порядок взаимодействия средств относящихся к одному и

тому же уровню и функционирующих в разных системах называется протоколом

(protocol) Правила взаимодействия между собой средств относящихся к смежным

уровням и функционирующих в одной системе называются интерфейсом (interface)

Функции физического уровня

Физический уровень определяет способ физического соединения компьютеров в сети

Основными функциями средств относящихся к данному уровню является побитовое

преобразование цифровых данных в сигналы среды передачи а также собственно

передача сигналов по физической среде

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно распространение

информационных сигналов в виде электрических световых и тп импульсов В настоящее

время выделяют два основных типа физических соединений соединения с помощью

кабеля и беспроводные соединения

- 22 -

Кабель (cable) используемый для построения компьютерных сетей представляет собой

сложную конструкцию состоящую в общем случае из проводников изолирующих и

экранирующих слоев В современных сетях используются три типа кабеля

Каждый тип кабеля отличается от других внутренним устройством и обладает целым

набором технических характеристик влияющих на основные потребительские параметры

сетей

Тип кабеля Характеристика

Максимальное

расстояние передачи

Максимальная

скорость передачи

Коаксиальный

кабель 185 ndash 500 м 10 Мбитс

Витая пара 30 ndash 100 м 10 Мбитс ndash 1

Гбитс

Оптоволоконный

кабель 2 км

10 Мбитс ndash 2

Гбитс

Топология сети - способ соединения компьютеров с помощью физической среды

Если сеть состоит всего из двух компьютеров то они соединяются напрямую Такой

способ соединения получил название точка-точка (point-to-point)

Выделяют три базовые топологии Шина (bus) Кольцо (ring) Звезда(star)

laquoШинаraquo - использует один передающий канал на базе коаксиального кабеля называемый

шиной Все сетевые компьютеры присоединяются напрямую к шине На концах кабеля-

шины устанавливаются специальные заглушки - терминаторы (terminator) Они

необходимы для того чтобы погасить сигнал после прохождения по шине К недостаткам

топологии Шина следует отнести следующее

данные предаваемые по кабелю доступны всем подключенным компьютерам

в случае повреждения шины вся сеть перестает функционировать

laquoКольцоraquo - характерно отсутствие конечных точек соединения сеть замкнута образуя

неразрывное кольцо по которому передаются данные Эта топология подразумевает

следующий механизм передачи данные передаются последовательно от одного

компьютера к другому пока не достигнут компьютера-получателя Недостатки топологии

кольцо те же то и у топологии шина

общедоступность данных

неустойчивость к повреждениям кабельной системы

В сети с топологией звезда все компьютеры соединены со специальным устройством

называемым сетевым концентратором или хабом (hub) который выполняет функции

- 23 -

распределения данных Прямые соединения двух компьютеров в сети отсутствуют

Благодаря этому имеется возможность решения проблемы общедоступности данных а

также повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы Однако

функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора

Канальный уровень - отвечает за организацию передачи данных между абонентами

через физический уровень поэтому на данном уровне предусмотрены средства адресации

позволяющие однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к общему физическому каналу В функции данного

уровня также входит упорядочивание передачи с целью обеспечения возможности

параллельного использования одного физического канала несколькими парами абонентов

Средства канального уровня обеспечивают проверку ошибок которые могут возникать

при передаче данных физическим уровнем Большинство функций канального уровня

выполняются устройствами передачи данных (например сетевым адаптером)

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена способ

представления информации а также необходимый набор правил позволяющий

упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток битов Перед

передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с принципом пакетной

коммутации разделяется на порции каждая из которых снабжается заголовком

содержащим некоторую служебную информацию те формируется пакет На канальном

уровне пакет называется кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает протокол Сложность

канальных протоколов во многом определяется сложностью топологии сети Очевидно

что организовать общение всего двух абонентов существенно проще чем упорядочивать

информационный обмен в сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких

пар абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Сетевой уровень - сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

- 24 -

адресации определенных различными технологиями Поэтому для обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого уровня модели OSI Устройства этого уровня предназначенные для объединения сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку составной сети Процесс определения пути прохождения данных через подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название маршрутизаторов

Транспортный уровень Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных

между устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд) Однако

не следует забывать что на одном узле может функционировать параллельно несколько

программ которым требуется доступ к сети Следовательно данные внутри

компьютерной системы должны распределяться между программами Поэтому при

передаче данных по сети недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо

также идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является отсутствие средств

позволяющих передавать большие массивы данных Когда исходные данные превышают

максимально допустимый размер пакета сетевого уровня то эти данные должны быть

разбиты на порции каждая из которых передается в сеть отдельным пакетом Однако

каждый пакет сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других

блок данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и следовательно ndash

обнаружить нарушение целостности общего массива данных Поэтому средства

транспортного уровня обеспечивают отсутствие потерь информации Такой режим

передачи данных получил название гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой функциональную

надстройку над сетевым уровнем и решают две основных задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

- 25 -

обеспечение гарантированной доставки массивов данных произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash UDP

обеспечивающий негарантированную доставку данных между программами и TCP

обеспечивающий гарантированную доставку с установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной уровень - Компоненты четырех

нижних уровней модели OSI (физического канального сетевого и транспортного)

представляют собой механизм обеспечивающий доставку данных любого типа и

произвольного объема между программами работающими на разных узлах составной

сети Однако при работе в сети пользователям требуется не просто пересылка данных а

выполнение каких-либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех возможностей

которые предоставляют средства нижних уровней недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо просмотреть

документ расположенный не на его локальном компьютере а на удаленной машине

Решение такой задачи предполагает как минимум прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса содержащего имя

документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной машины

изменений вносимых в этот документ другими пользователями и уведомление об этом

пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав пользователя на

работу с документом что предполагает дополнительный обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних уровней не имеют

средств позволяющих реализовать специфику такого взаимодействия Поэтому для его

организации требуются дополнительные надстройки над средствами транспортного и

нижележащих уровней В эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный

уровень уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или сессии) при

длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое (виртуальное) соединение между

двумя программами в общем случае функционирующими на разных компьютерах В

простейшем случае установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти необходимых для

приема и передачи данных После окончания передачи данных происходит закрытие

соединения предполагающее освобождение выделенных ресурсов Во многих случаях

этого недостаточно поэтому сессионный уровень предлагает более сложные механизмы

для организации сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая поддержка

осуществляется путем периодической отправки специальных тестовых пакетов при

получении которых участник соединения должен ответить Возвращаясь к

предложенному выше примеру следует отметить что установление соединения при

работе с удаленным документом позволяет один раз перед началом работы проверить

- 26 -

права доступа пользователя а также один раз передать запрос с именем файла В случае

если бы соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог бы

уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться дополнительное

преобразование Например это необходимо в случае если взаимодействующие

программы используют различные способы кодировки текстовой информации или если

для обеспечения защиты информации требуется осуществлять шифрование данных

Обеспечение подобных промежуточных преобразований возложено на уровень

представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными уровнями Они

позволяют осуществлять работу с различными информационными ресурсами сети

например файлами или сообщениями электронной почты Естественно что различные

типы ресурсов в общем случае требуют различных методов обработки и в том числе

методов сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI является

прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции работы с конкретными

информационными объектами В предложенном выше примере (чтение удаленного

документа) к функциям прикладного протокола относятся формирование запросов на

получение документа проверка прав доступа а также определение порядка пересылки

файлов и уведомлений об изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами определяемых

протоколами прикладного уровня часть функций сессионного уровня и уровня

представления может оказаться избыточной поэтому при программной реализации три

верхних уровня обычно объединяются

Модель сетевого взаимодействия

В 1984 году Международной Организацией по Стандартизации (International

Standard Organization ISO) была разработана модель взаимодействия

открытых систем (Open Systems Interconnection OSI) Модель представляет

собой международный стандарт для проектирования сетевых коммуникаций

и предполагает уровневый подход к построению сетей Каждый уровень

модели обслуживает различные этапы процесса взаимодействия

Посредством деления на уровни сетевая модель OSI упрощает совместную

работу оборудования и программного обеспечения Модель OSI разделяет

сетевые функции на семь уровней прикладной уровень представления

сессионный транспортный сетевой канальный и физический

Ниже дается краткая характеристика уровней модели

Физический уровень (Physical layer) определяет способ физического

соединения компьютеров в сети Функциями средств относящихся к

данному уровню являются побитовое преобразование цифровых

- 27 -

данных в сигналы передаваемые по физической среде (например по

кабелю) а также собственно передача сигналов

Канальный уровень(Data Link layer) отвечает за организацию передачи

данных между абонентами через физический уровень поэтому на

данном уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к обще линии связи В функции

данного уровня также входит упорядочивание передачи с целью

параллельного использования одной линии связи несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем

Сетевой уровень(Network layer) обеспечивает доставку данных между

компьютерами сети представляющей собой объединение различных

физических сетей Данный уровень предполагает наличие средств

логической адресации позволяющих однозначно идентифицировать

компьютер в объединенной сети Одной из главных функций

выполняемых средствами данного уровня является целенаправленная

передача данных конкретному получателю

Транспортный уровень(Transport layer) реализует передачу данных

между двумя программами функционирующими на разных

компьютерах обеспечивая при этом отсутствие потерь и дублирования

информации которые могут возникать в результате ошибок передачи

нижних уровней В случае если данные передаваемые через

транспортный уровень подвергаются фрагментации то средства

данного уровня гарантируют сборку фрагментов в правильном

порядке

Сессионный (или сеансовый) уровень (Session layer) позволяет двум

программам поддерживать продолжительное взаимодействие по сети

называемое сессией (session) или сеансом Этот уровень управляет

установлением сеанса обменом информацией и завершением сеанса

Он также отвечает за идентификацию позволяя тем самым только

определенным абонентам принимать участие в сеансе и обеспечивает

работу служб безопасности с целью упорядочивания доступа к

информации сессии

Уровень представления(Presentation layer) осуществляет

промежуточное преобразование данных исходящего сообщения в

общий формат который предусмотрен средствами нижних уровней а

также обратное преобразование входящих данных из общего формата в

формат понятный получающей программе

Прикладной уровень (Application layer) предоставляет

высокоуровневые функции сетевого взаимодействия такие как

передача файлов отправка сообщений по электронной почте и тп

Основные принципы уровневого взаимодействия

- 28 -

При уровневой организации процесса взаимодействия должны соблюдаться

следующие требования

компоненты одного уровня одной системы могут взаимодействовать с

компонентами только того же уровня другой системы

в рамках одной системы компоненты какого-либо уровня могут

взаимодействовать только с компонентами смежных (вышележащего и

нижележащего) уровней

Порядок уровневого взаимодействия

Набор правил определяющих порядок взаимодействия средств относящихся

к одному и тому же уровню и функционирующих в разных системах

называется протоколом (protocol) Правила взаимодействия между собой

средств относящихся к смежным уровням и функционирующих в одной

системе называются интерфейсом (interface)

Практическая реализация уровневого взаимодействия

На практике протоколы и интерфейсы регламентируют технические

требования предъявляемые к программным и аппаратным средствам

Программные (аппаратные) модули предназначенные для обеспечения

практического взаимодействия определяемого тем или иным протоколом

(или интерфейсом) обычно называют реализацией протокола (или

интерфейса)

Хотя различные компоненты относящиеся к различным уровням сетевой

модели формально должны быть функционально независимыми друг от

друга при практической разработке протоколов такая независимость не

всегда выдерживается Это объясняется тем что попытка добиться точного

соответствия эталонной модели может привести к неэффективности работы

программно-аппаратного обеспечения реализующего протокол В настоящее

время наблюдается два типа отклонений возникающих при реализации

уровневого взаимодействия

- 29 -

функции некоторых уровней могут объединяться одним протоколом и

наоборот ndash функции одного уровня могут делиться между различными

протоколами

функционирование протокола какого-либо уровня подразумевают

использование только определенных протоколов нижележащего

уровня

Поэтому разработка практических методов сетевого взаимодействия как

правило подразумевает разработку не отдельных протоколов а целых

наборов протоколов Такие наборы обычно включают в себя протоколы

относящиеся к нескольким смежным уровням эталонной модели OSI и

называются стеками (или семействами наборами) протоколов (protocol stack

protocol suite) Наиболее известным стеком протоколов обеспечивающим

взаимодействие в сети Интернет является стек протоколов TCPIP

Физический уровень

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Среда передачи

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Физический уровень определяет способ физического соединения

компьютеров в сети Основными функциями средств относящихся к

данному уровню является побитовое преобразование цифровых данных в

сигналы среды передачи а также собственно передача сигналов по

физической среде

Кабельные системы

- 30 -

Кабель (cable) используемый для построения компьютерных сетей

представляет собой сложную конструкцию состоящую в общем случае из

проводников изолирующих и экранирующих слоев В современных сетях

используются три типа кабеля

Еще одним важным понятием физического уровня является способ

соединения компьютеров с помощью физической среды или топология сети

Если сеть состоит всего из двух компьютеров то они соединяются

напрямую Такой способ соединения получил название точка-точка

(point-to-point)

Соединение типа точка-точка

Для обеспечения связи более чем двух компьютеров может использоваться

последовательность соединений типа точка-точка

Последовательность соединений типа точка-точка

Однако такой подход требует установки на большую часть компьютеров

нескольких устройств передачи данных

В качестве альтернативного подхода возможно использование более

сложных топологий позволяющих подключить к общей среде сразу

несколько компьютеров имеющих по одному устройству передачи данных

- 31 -

Выделяют три базовые топологии Шина (bus) Кольцо (ring)

Звезда(star)

Топология laquoШинаraquo

Топология Шина

Эта топология использует один передающий канал на базе коаксиального

кабеля называемый шиной Все сетевые компьютеры присоединяются

напрямую к шине На концах кабеля-шины устанавливаются специальные

заглушки - терминаторы (terminator) Они необходимы для того чтобы

погасить сигнал после прохождения по шине К недостаткам топологии

Шина следует отнести следующее

данные предаваемые по кабелю доступны всем подключенным

компьютерам

в случае повреждения шины вся сеть перестает функционировать

Топология laquoКольцоraquo

Топология Кольцо

Для топологии кольцо характерно отсутствие конечных точек соединения

сеть замкнута образуя неразрывное кольцо по которому передаются данные

Эта топология подразумевает следующий механизм передачи данные

передаются последовательно от одного компьютера к другому пока не

- 32 -

достигнут компьютера-получателя Недостатки топологии кольцо те же то

и у топологии шина

общедоступность данных

неустойчивость к повреждениям кабельной системы

Топология laquoЗвездаraquo

Топология Звезда

В сети с топологией звезда все компьютеры соединены со специальным

устройством называемым сетевым концентратором или хабом (hub)

который выполняет функции распределения данных Прямые соединения

двух компьютеров в сети отсутствуют Благодаря этому имеется

возможность решения проблемы общедоступности данных а также

повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы Однако

функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора

Физическая и логическая топологии

Следует отметить что термин топология может употребляться для

обозначения двух понятий ndash физической топологии и логической топологии

Физическая топология ndash способ физического соединения компьютеров с

помощью среды передачи например участками кабеля Логическая

топология определяет маршруты передачи данных в сети Во многих

случаях физическая топология однозначно определяет логическую

топологию Однако существуют такие конфигурации в которых логическая

топология отличается от физической Например сеть с физической

- 33 -

топологией laquoзвездаraquo может иметь логическую топологию laquoшинаraquo ndash все

зависит от того каким образом устроен сетевой концентратор

Кодированиедекодирование данных Как известно данные обрабатываемые

компьютером представляются в двоичном виде - как последовательность

нулей и единиц Однако понятия нуль и единица являются логическими

понятиями обозначающими электрические сигналы отличающиеся друг от

друга физическими параметрами и использующиеся для представления

информации в различных устройствах например оперативной памяти или

центральном процессоре В силу различных технических причин эти сигналы

не всегда могут передаваться по физическим каналам связи Поэтому они

должны быть преобразованы Процесс преобразования сигналов удобных

для компьютера в сигналы которые могут быть переданы по сети

называется физическим кодированием а обратное преобразование -

декодированием

Передача сигналов Информационные сигналы передаются по физическим

линиям связи последовательно В случае если между передающей и

принимающей сторонами параллельно существуют более одной линии

например проложено несколько кабелей то оказывается возможным

одновременно (параллельно) передавать несколько сигналов Если эти

сигналы представляют различные биты передаваемых данных то

повышается скорость информационного обмена Если же сигналы

представляют один и тот же бит данных - то повышается надежность

взаимодействия

Канальный уровень

Канальный уровень отвечает за организацию передачи данных

между абонентами через физический уровень поэтому на данном

уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к общему физическому

каналу В функции данного уровня также входит упорядочивание

передачи с целью обеспечения возможности параллельного

использования одного физического канала несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем Большинство функций канального уровня

выполняются устройствами передачи данных (например сетевым

- 34 -

адаптером)

Метод коммутации

дной из центральных проблем организации передачи данных по физическим

каналам является проблема параллельного использования одного и того же

канала несколькими парами абонентов Методы лежащие в основе ее

решения получили название методов коммутации

В настоящее время существует два основных метода коммутации

коммутация каналов и коммутация пакетов

Коммутация каналов предполагает что перед началом передачи данных

должна быть выполнена процедура установления соединения в результате

которой образуется составной канал По окончании сеанса связи соединение

разрывается и канал освобождается Классическим примером реализации

коммутации каналов является телефонная связь которая подразумевает что

абонент перед началом разговора набирает номер второго абонента в

результате чего последовательное переключение промежуточных

коммутаторов позволяет образовать непрерывный канал связи между

абонентами Коммутация каналов удобна для организации линий связи в

которых подразумевается передача потоков данных постоянной

интенсивности например таких как телефонный разговор в силу чего этот

метод оказывается недостаточно гибким при построении компьютерных

сетей

Метод коммутации пакетов основан на разбиении передаваемых по сети

данных на небольшие порции Каждая такая порция передается по сети

как единое целое и называется пакетом Такой метод является очень

удобным для параллельного использования физического канала несколькими

парами абонентов канал является занятым только во время прохождения

пакета Временные промежутки между передачей пакетов одним абонентам

могут быть использованы другими для отправки собственных пакетов

Пакет обычно состоит из двух частей ndash заголовка содержащего служебные

данные необходимые для управления доставкой пакета и собственно

данных подлежащих передаче Порядок обмена пакетами а также

конкретный состав заголовка пакетов определяется сетевым протоколом

Для именования пакетов различных уровней модели OSI используются

специальные термины Для канального уровня используется термин кадр

для сетевого ndash пакет для транспортного ndash сегмент дейтаграмма для

сессионного и более высоких уровней ndash сообщение

- 35 -

Протоколы канального уровня

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена

способ представления информации а также необходимый набор правил

позволяющий упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток

битов Перед передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с

принципом пакетной коммутации разделяется на порции каждая из

которых снабжается заголовком содержащим некоторую служебную

информацию те формируется пакет На канальном уровне пакет называется

кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает

протокол Сложность канальных протоколов во многом определяется

сложностью топологии сети Очевидно что организовать общение всего двух

абонентов существенно проще чем упорядочивать информационный обмен в

сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких пар

абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Структура кадра данных

Состав заголовка кадра зависит от многих факторов определяемых набором

функций которые выполняет протокол Тем не менее можно выделить ряд

информационных полей которые обычно присутствуют в заголовке кадра К

таким полям относятся

1 Специальные поля предназначенные для определения границ кадров

Поскольку в физической среде могут постоянно проходить какие-либо

сигналы то сетевые адаптеры должны уметь разбираться в том когда

начинается передача кадра и когда она заканчивается

2 Поле предназначенное для определения протокола сетевого уровня

которому необходимо передать данные Так как на одном компьютере могут

функционировать программные модули различных протоколов сетевого

уровня то протоколы канального уровня должны уметь распределять данные

по этим протоколам

3 Контрольная сумма (или специальный код) содержимого кадра которая

позволяет принимающей стороне определить наличие ошибок в принятых

данных Принцип ее использования состоит в следующем Сетевой адаптер

отправляющего компьютера после формирования кадра вычисляет значение

- 36 -

его контрольной суммы на основе содержимого и помещает это значение в

заголовок кадра Принимающая сторона также вычисляет контрольную

сумму полученного кадра и сравнивает его со значением помещенным в

заголовке Если они не совпадают то это означает что во время передачи

кадра произошла ошибка

4 Поля предназначенные для адресации абонентов в сложных сетях

(определены для протоколов применяемых в сетях базирующихся на

сложных топологиях)

Обобщенная структура кадра данных

Протоколы для сетей сложных топологий

Протоколы канального уровня этой группы являются более сложными чем

протоколы использующиеся в сетях типа точка-точка так как вынуждены

выполнять ряд дополнительных функций Основными функциями являются

Выделение на всем множестве компьютеров подключенных к сети

конкретного абонента с которым осуществляется информационный обмен

то есть адресация

Адресация абонентов

Упорядочивание доступа к среде передачи в случае когда нескольким парам

абонентов требуется осуществить передачу данных

Для обеспечения адресации абонентов в заголовке кадров должны

присутствовать следующие поля

- 37 -

1 Адрес отправителя ndash некоторое число (или набор чисел) позволяющее

идентифицировать сетевой адаптер (а следовательно и компьютер в

котором она установлена) который осуществил передачу кадра данных в

сеть Адреса присваиваются сетевым адаптерам на заводе-изготовителе и

как правило не изменяются в дальнейшем хотя большинство современных

адаптеров позволяют перепрограммировать сетевой адрес

Протоколы канального уровня и сетевые технологии

Функциональный состав того или иного протокола канального уровня во

многом определяется особенностями физического уровня например

топологией сети или типом среды передачи Поэтому при проектировании

сетевого взаимодействия используются и разрабатываются комплексные

стандарты получившие название сетевых технологий

Сетевая технология ndash это набор стандартов определяющий минимальный

состав программно-аппаратных средств достаточный для организации

взаимодействия компьютеров в сети Как правило сетевая технология

определяет топологию сети а также протокол канального уровня (формат

кадра порядок обмена кадрами MTU)

В настоящее время существует большое количество сетевых технологий и

соответственно определяемых ими протоколов канального уровня

Рассмотрим для примера одну из наиболее популярных в настоящее время

технологий ndash технологию локальных сетей Ethernet Эта технология

предполагает что сеть должна строиться на основе физических топологий

шина если используется коаксиальный кабель или звезда если

используется кабель типа витая пара В зависимости от типа используемого

кабеля скорость передачи данных лежит в диапазоне 10-100 Мбитс В

качестве метода доступа к среде передачи используется метод обнаружения

коллизий (CSMACD) Что касается формата кадра то в настоящее время на

практике используются 4 варианта кадров Ethernet отличающихся друг от

друга но все они согласуются с общими положениями изложенными ранее

Максимальный объем данных передаваемых в одном кадре (MTU) в

технологии Ethernet не может превышать 1500 байт

Помимо технологии Ethernet в настоящее время в локальных сетях широко

используются технологии AppleTalk FDDI и ATM В глобальных сетях

широко распространены технологии ATM FrameRelay ISDN и SMDS

Существует также ряд технологий использующихся для организации

беспроводных сетей Наиболее популярной технологией применяемой при

- 38 -

построении локальных сетей в настоящее время является технология

RadioEthernet Она предполагает передачу данных в двух УКВ-диапазонах

около 915 МГЦ и 2400-24835 МГц а также в инфракрасном спектре

Диапазон 915 МГц в России и Европе достаточно сильно загружен

средствами связи (сотовая телефония) поэтому он используется как

правило для организации сетей внутри зданий хотя технически позволяет

осуществлять передачу на значительные расстояния Это же ограничение

распространяется и на инфракрасный диапазон поскольку инфракрасные

лучи чувствительны к погодным условиям В зависимости от того какой

режим передачи используется сети RadioEthernet позволяют осуществлять

передачу данных со скоростью 2 - 10 Мбитс Технология RadioEthernet

предполагает построение сетей на базе топологий точка-точка и звезда В

качестве метода доступа используется метод предупреждения коллизий

(CSMACA)

Наряду с кабельными и беспроводными технологиями существуют также

технологии предполагающие комбинирование различных типов физической

среды передачи Обычно они применяются для построения асимметричных

сетей небольшие по объему запросы пользовательских компьютеров

передаются по кабельным каналам например с использованием телефонных

линий и модемов а прием осуществляется через спутниковый радиоканал

Объединение сетей на канальном уровне

Сложные сети в общем случае представляют собой совокупность

нескольких сетей Такие сети называются объединенными сетями

(internetwork)

Необходимость объединения сетей может быть вызвана разными причинами

Прежде всего это - преодоление технических ограничений среды передачи

например максимального расстояния передачи данных Кроме того

построение сети как объединенной позволяет повысить надежность (выход

из строя одной физической среды не влияет на работу остальных) и

обеспечить определенный уровень конфиденциальности (данные

передаваемые между компьютерами одной физической среды оказываются

недоступными компьютерам других сетей)

Для построения объединенных сетей требуются специальные устройства

которые позволяют подключать к себе две (или более) сети Наиболее

простым устройством такого вида является мост (bridge)

Мост

- 39 -

Принцип функционирования моста достаточно прост для подключения сетей

мост располагает несколькими портами с каждым из которых связываются

записи так называемой адресной таблицы содержащей список адресов

компьютеров сетей подключенных к мосту Когда мост получает кадр

данных то он передает его в сеть через порт который согласно таблице

соответствует адресу получателя В случае если адрес получателя не

обнаружен в адресной таблице то кадр передается во все сети Адресные

таблицы мостов как правило строятся на основе анализа кадров

передаваемых по сетям

Функции сетевого уровня

Сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе

различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне

достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети

но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети

с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это

объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

адресации определенных различными технологиями Поэтому для

обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства

представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую

абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых

технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого

уровня модели OSI

Очевидно что устройства этого уровня предназначенные для объединения

сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального

уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную

передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть

определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку

составной сети Процесс определения пути прохождения данных через

подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства

объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название

маршрутизаторов

- 40 -

Протокол IP

Протокол IP (Internet Protocol) входит в состав стека протоколов TCPIP и

является основным протоколом сетевого уровня использующимся в

Интернет и обеспечивающим единую схему логической адресации устройств

в сети и маршрутизацию данных

Для выполнения своих функций протокол определяет свой собственный

формат пакета Основными информационными полями заголовка пакета

являются

IP-адреса отправителя и получателя ndash предназначены для

идентификации отправителя и получателя (см IP-адресация)

Время жизни пакета (Time To Live TTL) - определяет время которое

IP-пакет может находиться в сети и предназначено для

предотвращения захламления сети заблудившимися пакетами

поля предназначенные для фрагментации пакетов (см IP-

фрагментация)

поля предназначенные для управления обработкой пакета (длина

пакета и заголовка контрольная сумма заголовка тип обслуживания и

тд)

Существует 5 классов IP-адресов ndash A B C D E Принадлежность IP-

адреса к тому или иному классу определяется значением первого

октета (W) Ниже показано соответствие значений первого октета и

классов адресов

Класс IP-адреса A B C D E

Диапазон первого

октета

1-

126

128-

191

192-

223

224-

239

240-

247

IP-адреса первых трех классов предназначены для адресации

отдельных узлов и отдельных сетей Такие адреса состоят из двух

частей ndash номера сети и номера узла Такая схема аналогична схеме

почтовых индексов ndash первые три цифры кодируют регион а остальные

ndash почтовое отделение внутри региона

Преимущества двухуровневой схемы очевидны она позволяет во-

первых адресовать целиком отдельные сети внутри составной сети

что необходимо для обеспечения маршрутизации а во-вторых ndash

присваивать узлам номера внутри одной сети независимо от других

сетей Естественно что компьютеры входящие в одну и ту же сеть

должны иметь IP-адреса с одинаковым номером сети

- 41 -

IP-Маршрутизация ndash процесс выбора пути для передачи пакета в сети Под

путем (маршрутом) понимается последовательность маршрутизаторов через

которые проходит пакет по пути к узлу-назначению IP-маршрутизатор ndash это

специальное устройство предназначенное для объединения сетей и

обеспечивающее определение пути прохождения пакетов в составной сети

Маршрутизатор должен иметь несколько IP-адресов с номерами сетей

соответствующими номерам объединяемых сетей

Как известно для разных сетевых технологий значение MTU определенное

для кадров данных может отличаться Поэтому при преобразовании кадров

на маршрутизаторе может потребоваться разделение вложенных в них IP-

пакетов на более мелкие пакеты

Для разделения пакетов на фрагменты модуль IP установленный на

маршрутизаторе создает на его основе некоторое число новых пакетов (в

соответствии с длиной исходного пакета и значения MTU для сети куда

должны быть переданы данные) Для того чтобы данные могли быть

правильно собраны получателем в заголовки новых IP-пакетов помещается

специальный числовой идентификатор позволяющий однозначно

определить что эти пакеты являются фрагментами одного большого пакета

Кроме того в заголовках также указывается положения фрагментов в

исходном пакете что позволяет обеспечить правильный порядок сборки

получателем

Вспомогательные протоколы сетевого уровня стека TCPIP

Главными функциями протокола IP является обеспечение единой схемы

адресации независимой от принципов адресации определяемых сетевыми

технологиями (адресацией канального уровня) а также передача данных по

составной сети (маршрутизация и фрагментация пакетов) Однако для

организации реального взаимодействия этого оказывается недостаточно -

существует еще ряд проблем

Первая проблема состоит в следующем Для того чтобы передать данные по

сети программное обеспечение протокола IP создает пакет и передает его

средствам канального уровня При этом средствам канального уровня для

формирования кадра данных необходим адрес получателя причем не

логический IP-адрес а MAC-адрес который может быть правильно опознан

сетевым адаптером принимающего компьютера Однако спецификацией

протокола IP не предусмотрен механизм позволяющий определять

соответствие между аппаратными и IP-адресами Эту функцию выполняет

вспомогательный протокол сетевого уровня ARP (Address Resolution

Protocol) входящий в семейство протоколов TCPIP

- 42 -

Другая серьезная проблема состоит в том что если при обработке IP-пакета

на маршрутизаторе возникли какие-то проблемы например истекло время

жизни пакета то отправитель о них не узнает поскольку механизм

обратной связи также не предусмотрен спецификацией протокола IP Для

решения этой проблемы используется специальный протокол сетевого

уровня ICMP (Internet Control Message Protocol) входящий в стек протоколов

TCPIP и обеспечивающий передачу управляющей информации и

информации об ошибках

В семействе протоколов TCPIP предусмотрен также ряд других

вспомогательных протоколов например протоколы динамической

маршрутизации обеспечивающие обмен информацией между

маршрутизаторами с целью автоматизации построения таблиц

маршрутизации

Транспортный уровень

Функции транспортного уровня

Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных между

устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд)

Однако не следует забывать что на одном узле может функционировать

параллельно несколько программ которым требуется доступ к сети

Следовательно данные внутри компьютерной системы должны

распределяться между программами Поэтому при передаче данных по сети

недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо также

идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является

отсутствие средств позволяющих передавать большие массивы данных

Когда исходные данные превышают максимально допустимый размер пакета

сетевого уровня то эти данные должны быть разбиты на порции каждая из

которых передается в сеть отдельным пакетом Однако каждый пакет

сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других блок

данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и

следовательно ndash обнаружить нарушение целостности общего массива

данных Поэтому средства транспортного уровня обеспечивают отсутствие

потерь информации Такой режим передачи данных получил название

гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой

- 43 -

функциональную надстройку над сетевым уровнем и решают две основных

задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

обеспечение гарантированной доставки массивов данных

произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash

UDP обеспечивающий негарантированную доставку данных между

программами и TCP обеспечивающий гарантированную доставку с

установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной

уровень

Компоненты четырех нижних уровней модели OSI (физического канального

сетевого и транспортного) представляют собой механизм обеспечивающий

доставку данных любого типа и произвольного объема между программами

работающими на разных узлах составной сети Однако при работе в сети

пользователям требуется не просто пересылка данных а выполнение каких-

либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех

возможностей которые предоставляют средства нижних уровней

недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо

просмотреть документ расположенный не на его локальном компьютере а

на удаленной машине Решение такой задачи предполагает как минимум

прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса

содержащего имя документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного

компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной

машины изменений вносимых в этот документ другими пользователями и

уведомление об этом пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав

пользователя на работу с документом что предполагает дополнительный

- 44 -

обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних

уровней не имеют средств позволяющих реализовать специфику такого

взаимодействия Поэтому для его организации требуются дополнительные

надстройки над средствами транспортного и нижележащих уровней В

эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный уровень

уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или

сессии) при длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое

(виртуальное) соединение между двумя программами в общем случае

функционирующими на разных компьютерах В простейшем случае

установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти

необходимых для приема и передачи данных После окончания передачи

данных происходит закрытие соединения предполагающее освобождение

выделенных ресурсов Во многих случаях этого недостаточно поэтому

сессионный уровень предлагает более сложные механизмы для организации

сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая

поддержка осуществляется путем периодической отправки специальных

тестовых пакетов при получении которых участник соединения должен

ответить Возвращаясь к предложенному выше примеру следует отметить

что установление соединения при работе с удаленным документом позволяет

один раз перед началом работы проверить права доступа пользователя а

также один раз передать запрос с именем файла В случае если бы

соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог

бы уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться

дополнительное преобразование Например это необходимо в случае если

взаимодействующие программы используют различные способы кодировки

текстовой информации или если для обеспечения защиты информации

требуется осуществлять шифрование данных Обеспечение подобных

промежуточных преобразований возложено на уровень представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными

уровнями Они позволяют осуществлять работу с различными

информационными ресурсами сети например файлами или сообщениями

электронной почты Естественно что различные типы ресурсов в общем

случае требуют различных методов обработки и в том числе методов

сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI

- 45 -

является прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции

работы с конкретными информационными объектами В предложенном выше

примере (чтение удаленного документа) к функциям прикладного протокола

относятся формирование запросов на получение документа проверка прав

доступа а также определение порядка пересылки файлов и уведомлений об

изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами

определяемых протоколами прикладного уровня часть функций сессионного

уровня и уровня представления может оказаться избыточной поэтому при

программной реализации три верхних уровня обычно объединяются

Page 18: - 3 - ВВЕДЕНИЕicm.muctr.ru/study/computers/inf001.pdf · 2016-08-25 · - 7 - А) Количество информации как мера уменьшения неопределенности

- 20 -

принципов способствовала в свое время появлению Интернет (Internet) как объединенной

сети (иногда даже используется термин гиперсеть) собравшей в своем составе

локальные городские и глобальные сети всей планеты

Модель сетевого взаимодействия

В 1984 году Международной Организацией по Стандартизации (International Standard

Organization ISO) была разработана модель взаимодействия открытых систем (Open

Systems Interconnection OSI) Модель представляет собой международный стандарт для

проектирования сетевых коммуникаций и предполагает уровневый подход к построению

сетей Каждый уровень модели обслуживает различные этапы процесса взаимодействия

Посредством деления на уровни сетевая модель OSI упрощает совместную работу

оборудования и программного обеспечения Модель OSI разделяет сетевые функции на

семь уровней прикладной уровень представления сессионный транспортный сетевой

канальный и физический

Физический уровень (Physical layer) определяет способ физического соединения

компьютеров в сети Функциями средств относящихся к данному уровню являются

побитовое преобразование цифровых данных в сигналы передаваемые по физической

среде (например по кабелю) а также собственно передача сигналов

Канальный уровень(Data Link layer) отвечает за организацию передачи данных между

абонентами через физический уровень поэтому на данном уровне предусмотрены

средства адресации позволяющие однозначно идентифицировать отправителя и

получателя во всем множестве абонентов подключенных к обще линии связи В функции

данного уровня также входит упорядочивание передачи с целью параллельного

использования одной линии связи несколькими парами абонентов Кроме того средства

канального уровня обеспечивают проверку ошибок которые могут возникать при

передаче данных физическим уровнем

Сетевой уровень(Network layer) обеспечивает доставку данных между компьютерами

сети представляющей собой объединение различных физических сетей Данный уровень

предполагает наличие средств логической адресации позволяющих однозначно

- 21 -

идентифицировать компьютер в объединенной сети Одной из главных функций

выполняемых средствами данного уровня является целенаправленная передача данных

конкретному получателю

Транспортный уровень(Transport layer) реализует передачу данных между двумя

программами функционирующими на разных компьютерах обеспечивая при этом

отсутствие потерь и дублирования информации которые могут возникать в результате

ошибок передачи нижних уровней В случае если данные передаваемые через

транспортный уровень подвергаются фрагментации то средства данного уровня

гарантируют сборку фрагментов в правильном порядке

Сессионный (или сеансовый) уровень (Session layer) позволяет двум программам

поддерживать продолжительное взаимодействие по сети называемое сессией (session)

или сеансом Этот уровень управляет установлением сеанса обменом информацией и

завершением сеанса Он также отвечает за идентификацию позволяя тем самым только

определенным абонентам принимать участие в сеансе и обеспечивает работу служб

безопасности с целью упорядочивания доступа к информации сессии

Уровень представления(Presentation layer) осуществляет промежуточное

преобразование данных исходящего сообщения в общий формат который предусмотрен

средствами нижних уровней а также обратное преобразование входящих данных из

общего формата в формат понятный получающей программе

Основные принципы уровневого взаимодействия

При уровневой организации процесса взаимодействия должны соблюдаться следующие

требования

компоненты одного уровня одной системы могут взаимодействовать с

компонентами только того же уровня другой системы

в рамках одной системы компоненты какого-либо уровня могут взаимодействовать

только с компонентами смежных (вышележащего и нижележащего) уровней

Набор правил определяющих порядок взаимодействия средств относящихся к одному и

тому же уровню и функционирующих в разных системах называется протоколом

(protocol) Правила взаимодействия между собой средств относящихся к смежным

уровням и функционирующих в одной системе называются интерфейсом (interface)

Функции физического уровня

Физический уровень определяет способ физического соединения компьютеров в сети

Основными функциями средств относящихся к данному уровню является побитовое

преобразование цифровых данных в сигналы среды передачи а также собственно

передача сигналов по физической среде

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно распространение

информационных сигналов в виде электрических световых и тп импульсов В настоящее

время выделяют два основных типа физических соединений соединения с помощью

кабеля и беспроводные соединения

- 22 -

Кабель (cable) используемый для построения компьютерных сетей представляет собой

сложную конструкцию состоящую в общем случае из проводников изолирующих и

экранирующих слоев В современных сетях используются три типа кабеля

Каждый тип кабеля отличается от других внутренним устройством и обладает целым

набором технических характеристик влияющих на основные потребительские параметры

сетей

Тип кабеля Характеристика

Максимальное

расстояние передачи

Максимальная

скорость передачи

Коаксиальный

кабель 185 ndash 500 м 10 Мбитс

Витая пара 30 ndash 100 м 10 Мбитс ndash 1

Гбитс

Оптоволоконный

кабель 2 км

10 Мбитс ndash 2

Гбитс

Топология сети - способ соединения компьютеров с помощью физической среды

Если сеть состоит всего из двух компьютеров то они соединяются напрямую Такой

способ соединения получил название точка-точка (point-to-point)

Выделяют три базовые топологии Шина (bus) Кольцо (ring) Звезда(star)

laquoШинаraquo - использует один передающий канал на базе коаксиального кабеля называемый

шиной Все сетевые компьютеры присоединяются напрямую к шине На концах кабеля-

шины устанавливаются специальные заглушки - терминаторы (terminator) Они

необходимы для того чтобы погасить сигнал после прохождения по шине К недостаткам

топологии Шина следует отнести следующее

данные предаваемые по кабелю доступны всем подключенным компьютерам

в случае повреждения шины вся сеть перестает функционировать

laquoКольцоraquo - характерно отсутствие конечных точек соединения сеть замкнута образуя

неразрывное кольцо по которому передаются данные Эта топология подразумевает

следующий механизм передачи данные передаются последовательно от одного

компьютера к другому пока не достигнут компьютера-получателя Недостатки топологии

кольцо те же то и у топологии шина

общедоступность данных

неустойчивость к повреждениям кабельной системы

В сети с топологией звезда все компьютеры соединены со специальным устройством

называемым сетевым концентратором или хабом (hub) который выполняет функции

- 23 -

распределения данных Прямые соединения двух компьютеров в сети отсутствуют

Благодаря этому имеется возможность решения проблемы общедоступности данных а

также повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы Однако

функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора

Канальный уровень - отвечает за организацию передачи данных между абонентами

через физический уровень поэтому на данном уровне предусмотрены средства адресации

позволяющие однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к общему физическому каналу В функции данного

уровня также входит упорядочивание передачи с целью обеспечения возможности

параллельного использования одного физического канала несколькими парами абонентов

Средства канального уровня обеспечивают проверку ошибок которые могут возникать

при передаче данных физическим уровнем Большинство функций канального уровня

выполняются устройствами передачи данных (например сетевым адаптером)

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена способ

представления информации а также необходимый набор правил позволяющий

упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток битов Перед

передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с принципом пакетной

коммутации разделяется на порции каждая из которых снабжается заголовком

содержащим некоторую служебную информацию те формируется пакет На канальном

уровне пакет называется кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает протокол Сложность

канальных протоколов во многом определяется сложностью топологии сети Очевидно

что организовать общение всего двух абонентов существенно проще чем упорядочивать

информационный обмен в сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких

пар абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Сетевой уровень - сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

- 24 -

адресации определенных различными технологиями Поэтому для обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого уровня модели OSI Устройства этого уровня предназначенные для объединения сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку составной сети Процесс определения пути прохождения данных через подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название маршрутизаторов

Транспортный уровень Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных

между устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд) Однако

не следует забывать что на одном узле может функционировать параллельно несколько

программ которым требуется доступ к сети Следовательно данные внутри

компьютерной системы должны распределяться между программами Поэтому при

передаче данных по сети недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо

также идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является отсутствие средств

позволяющих передавать большие массивы данных Когда исходные данные превышают

максимально допустимый размер пакета сетевого уровня то эти данные должны быть

разбиты на порции каждая из которых передается в сеть отдельным пакетом Однако

каждый пакет сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других

блок данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и следовательно ndash

обнаружить нарушение целостности общего массива данных Поэтому средства

транспортного уровня обеспечивают отсутствие потерь информации Такой режим

передачи данных получил название гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой функциональную

надстройку над сетевым уровнем и решают две основных задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

- 25 -

обеспечение гарантированной доставки массивов данных произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash UDP

обеспечивающий негарантированную доставку данных между программами и TCP

обеспечивающий гарантированную доставку с установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной уровень - Компоненты четырех

нижних уровней модели OSI (физического канального сетевого и транспортного)

представляют собой механизм обеспечивающий доставку данных любого типа и

произвольного объема между программами работающими на разных узлах составной

сети Однако при работе в сети пользователям требуется не просто пересылка данных а

выполнение каких-либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех возможностей

которые предоставляют средства нижних уровней недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо просмотреть

документ расположенный не на его локальном компьютере а на удаленной машине

Решение такой задачи предполагает как минимум прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса содержащего имя

документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной машины

изменений вносимых в этот документ другими пользователями и уведомление об этом

пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав пользователя на

работу с документом что предполагает дополнительный обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних уровней не имеют

средств позволяющих реализовать специфику такого взаимодействия Поэтому для его

организации требуются дополнительные надстройки над средствами транспортного и

нижележащих уровней В эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный

уровень уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или сессии) при

длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое (виртуальное) соединение между

двумя программами в общем случае функционирующими на разных компьютерах В

простейшем случае установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти необходимых для

приема и передачи данных После окончания передачи данных происходит закрытие

соединения предполагающее освобождение выделенных ресурсов Во многих случаях

этого недостаточно поэтому сессионный уровень предлагает более сложные механизмы

для организации сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая поддержка

осуществляется путем периодической отправки специальных тестовых пакетов при

получении которых участник соединения должен ответить Возвращаясь к

предложенному выше примеру следует отметить что установление соединения при

работе с удаленным документом позволяет один раз перед началом работы проверить

- 26 -

права доступа пользователя а также один раз передать запрос с именем файла В случае

если бы соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог бы

уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться дополнительное

преобразование Например это необходимо в случае если взаимодействующие

программы используют различные способы кодировки текстовой информации или если

для обеспечения защиты информации требуется осуществлять шифрование данных

Обеспечение подобных промежуточных преобразований возложено на уровень

представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными уровнями Они

позволяют осуществлять работу с различными информационными ресурсами сети

например файлами или сообщениями электронной почты Естественно что различные

типы ресурсов в общем случае требуют различных методов обработки и в том числе

методов сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI является

прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции работы с конкретными

информационными объектами В предложенном выше примере (чтение удаленного

документа) к функциям прикладного протокола относятся формирование запросов на

получение документа проверка прав доступа а также определение порядка пересылки

файлов и уведомлений об изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами определяемых

протоколами прикладного уровня часть функций сессионного уровня и уровня

представления может оказаться избыточной поэтому при программной реализации три

верхних уровня обычно объединяются

Модель сетевого взаимодействия

В 1984 году Международной Организацией по Стандартизации (International

Standard Organization ISO) была разработана модель взаимодействия

открытых систем (Open Systems Interconnection OSI) Модель представляет

собой международный стандарт для проектирования сетевых коммуникаций

и предполагает уровневый подход к построению сетей Каждый уровень

модели обслуживает различные этапы процесса взаимодействия

Посредством деления на уровни сетевая модель OSI упрощает совместную

работу оборудования и программного обеспечения Модель OSI разделяет

сетевые функции на семь уровней прикладной уровень представления

сессионный транспортный сетевой канальный и физический

Ниже дается краткая характеристика уровней модели

Физический уровень (Physical layer) определяет способ физического

соединения компьютеров в сети Функциями средств относящихся к

данному уровню являются побитовое преобразование цифровых

- 27 -

данных в сигналы передаваемые по физической среде (например по

кабелю) а также собственно передача сигналов

Канальный уровень(Data Link layer) отвечает за организацию передачи

данных между абонентами через физический уровень поэтому на

данном уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к обще линии связи В функции

данного уровня также входит упорядочивание передачи с целью

параллельного использования одной линии связи несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем

Сетевой уровень(Network layer) обеспечивает доставку данных между

компьютерами сети представляющей собой объединение различных

физических сетей Данный уровень предполагает наличие средств

логической адресации позволяющих однозначно идентифицировать

компьютер в объединенной сети Одной из главных функций

выполняемых средствами данного уровня является целенаправленная

передача данных конкретному получателю

Транспортный уровень(Transport layer) реализует передачу данных

между двумя программами функционирующими на разных

компьютерах обеспечивая при этом отсутствие потерь и дублирования

информации которые могут возникать в результате ошибок передачи

нижних уровней В случае если данные передаваемые через

транспортный уровень подвергаются фрагментации то средства

данного уровня гарантируют сборку фрагментов в правильном

порядке

Сессионный (или сеансовый) уровень (Session layer) позволяет двум

программам поддерживать продолжительное взаимодействие по сети

называемое сессией (session) или сеансом Этот уровень управляет

установлением сеанса обменом информацией и завершением сеанса

Он также отвечает за идентификацию позволяя тем самым только

определенным абонентам принимать участие в сеансе и обеспечивает

работу служб безопасности с целью упорядочивания доступа к

информации сессии

Уровень представления(Presentation layer) осуществляет

промежуточное преобразование данных исходящего сообщения в

общий формат который предусмотрен средствами нижних уровней а

также обратное преобразование входящих данных из общего формата в

формат понятный получающей программе

Прикладной уровень (Application layer) предоставляет

высокоуровневые функции сетевого взаимодействия такие как

передача файлов отправка сообщений по электронной почте и тп

Основные принципы уровневого взаимодействия

- 28 -

При уровневой организации процесса взаимодействия должны соблюдаться

следующие требования

компоненты одного уровня одной системы могут взаимодействовать с

компонентами только того же уровня другой системы

в рамках одной системы компоненты какого-либо уровня могут

взаимодействовать только с компонентами смежных (вышележащего и

нижележащего) уровней

Порядок уровневого взаимодействия

Набор правил определяющих порядок взаимодействия средств относящихся

к одному и тому же уровню и функционирующих в разных системах

называется протоколом (protocol) Правила взаимодействия между собой

средств относящихся к смежным уровням и функционирующих в одной

системе называются интерфейсом (interface)

Практическая реализация уровневого взаимодействия

На практике протоколы и интерфейсы регламентируют технические

требования предъявляемые к программным и аппаратным средствам

Программные (аппаратные) модули предназначенные для обеспечения

практического взаимодействия определяемого тем или иным протоколом

(или интерфейсом) обычно называют реализацией протокола (или

интерфейса)

Хотя различные компоненты относящиеся к различным уровням сетевой

модели формально должны быть функционально независимыми друг от

друга при практической разработке протоколов такая независимость не

всегда выдерживается Это объясняется тем что попытка добиться точного

соответствия эталонной модели может привести к неэффективности работы

программно-аппаратного обеспечения реализующего протокол В настоящее

время наблюдается два типа отклонений возникающих при реализации

уровневого взаимодействия

- 29 -

функции некоторых уровней могут объединяться одним протоколом и

наоборот ndash функции одного уровня могут делиться между различными

протоколами

функционирование протокола какого-либо уровня подразумевают

использование только определенных протоколов нижележащего

уровня

Поэтому разработка практических методов сетевого взаимодействия как

правило подразумевает разработку не отдельных протоколов а целых

наборов протоколов Такие наборы обычно включают в себя протоколы

относящиеся к нескольким смежным уровням эталонной модели OSI и

называются стеками (или семействами наборами) протоколов (protocol stack

protocol suite) Наиболее известным стеком протоколов обеспечивающим

взаимодействие в сети Интернет является стек протоколов TCPIP

Физический уровень

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Среда передачи

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Физический уровень определяет способ физического соединения

компьютеров в сети Основными функциями средств относящихся к

данному уровню является побитовое преобразование цифровых данных в

сигналы среды передачи а также собственно передача сигналов по

физической среде

Кабельные системы

- 30 -

Кабель (cable) используемый для построения компьютерных сетей

представляет собой сложную конструкцию состоящую в общем случае из

проводников изолирующих и экранирующих слоев В современных сетях

используются три типа кабеля

Еще одним важным понятием физического уровня является способ

соединения компьютеров с помощью физической среды или топология сети

Если сеть состоит всего из двух компьютеров то они соединяются

напрямую Такой способ соединения получил название точка-точка

(point-to-point)

Соединение типа точка-точка

Для обеспечения связи более чем двух компьютеров может использоваться

последовательность соединений типа точка-точка

Последовательность соединений типа точка-точка

Однако такой подход требует установки на большую часть компьютеров

нескольких устройств передачи данных

В качестве альтернативного подхода возможно использование более

сложных топологий позволяющих подключить к общей среде сразу

несколько компьютеров имеющих по одному устройству передачи данных

- 31 -

Выделяют три базовые топологии Шина (bus) Кольцо (ring)

Звезда(star)

Топология laquoШинаraquo

Топология Шина

Эта топология использует один передающий канал на базе коаксиального

кабеля называемый шиной Все сетевые компьютеры присоединяются

напрямую к шине На концах кабеля-шины устанавливаются специальные

заглушки - терминаторы (terminator) Они необходимы для того чтобы

погасить сигнал после прохождения по шине К недостаткам топологии

Шина следует отнести следующее

данные предаваемые по кабелю доступны всем подключенным

компьютерам

в случае повреждения шины вся сеть перестает функционировать

Топология laquoКольцоraquo

Топология Кольцо

Для топологии кольцо характерно отсутствие конечных точек соединения

сеть замкнута образуя неразрывное кольцо по которому передаются данные

Эта топология подразумевает следующий механизм передачи данные

передаются последовательно от одного компьютера к другому пока не

- 32 -

достигнут компьютера-получателя Недостатки топологии кольцо те же то

и у топологии шина

общедоступность данных

неустойчивость к повреждениям кабельной системы

Топология laquoЗвездаraquo

Топология Звезда

В сети с топологией звезда все компьютеры соединены со специальным

устройством называемым сетевым концентратором или хабом (hub)

который выполняет функции распределения данных Прямые соединения

двух компьютеров в сети отсутствуют Благодаря этому имеется

возможность решения проблемы общедоступности данных а также

повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы Однако

функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора

Физическая и логическая топологии

Следует отметить что термин топология может употребляться для

обозначения двух понятий ndash физической топологии и логической топологии

Физическая топология ndash способ физического соединения компьютеров с

помощью среды передачи например участками кабеля Логическая

топология определяет маршруты передачи данных в сети Во многих

случаях физическая топология однозначно определяет логическую

топологию Однако существуют такие конфигурации в которых логическая

топология отличается от физической Например сеть с физической

- 33 -

топологией laquoзвездаraquo может иметь логическую топологию laquoшинаraquo ndash все

зависит от того каким образом устроен сетевой концентратор

Кодированиедекодирование данных Как известно данные обрабатываемые

компьютером представляются в двоичном виде - как последовательность

нулей и единиц Однако понятия нуль и единица являются логическими

понятиями обозначающими электрические сигналы отличающиеся друг от

друга физическими параметрами и использующиеся для представления

информации в различных устройствах например оперативной памяти или

центральном процессоре В силу различных технических причин эти сигналы

не всегда могут передаваться по физическим каналам связи Поэтому они

должны быть преобразованы Процесс преобразования сигналов удобных

для компьютера в сигналы которые могут быть переданы по сети

называется физическим кодированием а обратное преобразование -

декодированием

Передача сигналов Информационные сигналы передаются по физическим

линиям связи последовательно В случае если между передающей и

принимающей сторонами параллельно существуют более одной линии

например проложено несколько кабелей то оказывается возможным

одновременно (параллельно) передавать несколько сигналов Если эти

сигналы представляют различные биты передаваемых данных то

повышается скорость информационного обмена Если же сигналы

представляют один и тот же бит данных - то повышается надежность

взаимодействия

Канальный уровень

Канальный уровень отвечает за организацию передачи данных

между абонентами через физический уровень поэтому на данном

уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к общему физическому

каналу В функции данного уровня также входит упорядочивание

передачи с целью обеспечения возможности параллельного

использования одного физического канала несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем Большинство функций канального уровня

выполняются устройствами передачи данных (например сетевым

- 34 -

адаптером)

Метод коммутации

дной из центральных проблем организации передачи данных по физическим

каналам является проблема параллельного использования одного и того же

канала несколькими парами абонентов Методы лежащие в основе ее

решения получили название методов коммутации

В настоящее время существует два основных метода коммутации

коммутация каналов и коммутация пакетов

Коммутация каналов предполагает что перед началом передачи данных

должна быть выполнена процедура установления соединения в результате

которой образуется составной канал По окончании сеанса связи соединение

разрывается и канал освобождается Классическим примером реализации

коммутации каналов является телефонная связь которая подразумевает что

абонент перед началом разговора набирает номер второго абонента в

результате чего последовательное переключение промежуточных

коммутаторов позволяет образовать непрерывный канал связи между

абонентами Коммутация каналов удобна для организации линий связи в

которых подразумевается передача потоков данных постоянной

интенсивности например таких как телефонный разговор в силу чего этот

метод оказывается недостаточно гибким при построении компьютерных

сетей

Метод коммутации пакетов основан на разбиении передаваемых по сети

данных на небольшие порции Каждая такая порция передается по сети

как единое целое и называется пакетом Такой метод является очень

удобным для параллельного использования физического канала несколькими

парами абонентов канал является занятым только во время прохождения

пакета Временные промежутки между передачей пакетов одним абонентам

могут быть использованы другими для отправки собственных пакетов

Пакет обычно состоит из двух частей ndash заголовка содержащего служебные

данные необходимые для управления доставкой пакета и собственно

данных подлежащих передаче Порядок обмена пакетами а также

конкретный состав заголовка пакетов определяется сетевым протоколом

Для именования пакетов различных уровней модели OSI используются

специальные термины Для канального уровня используется термин кадр

для сетевого ndash пакет для транспортного ndash сегмент дейтаграмма для

сессионного и более высоких уровней ndash сообщение

- 35 -

Протоколы канального уровня

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена

способ представления информации а также необходимый набор правил

позволяющий упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток

битов Перед передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с

принципом пакетной коммутации разделяется на порции каждая из

которых снабжается заголовком содержащим некоторую служебную

информацию те формируется пакет На канальном уровне пакет называется

кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает

протокол Сложность канальных протоколов во многом определяется

сложностью топологии сети Очевидно что организовать общение всего двух

абонентов существенно проще чем упорядочивать информационный обмен в

сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких пар

абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Структура кадра данных

Состав заголовка кадра зависит от многих факторов определяемых набором

функций которые выполняет протокол Тем не менее можно выделить ряд

информационных полей которые обычно присутствуют в заголовке кадра К

таким полям относятся

1 Специальные поля предназначенные для определения границ кадров

Поскольку в физической среде могут постоянно проходить какие-либо

сигналы то сетевые адаптеры должны уметь разбираться в том когда

начинается передача кадра и когда она заканчивается

2 Поле предназначенное для определения протокола сетевого уровня

которому необходимо передать данные Так как на одном компьютере могут

функционировать программные модули различных протоколов сетевого

уровня то протоколы канального уровня должны уметь распределять данные

по этим протоколам

3 Контрольная сумма (или специальный код) содержимого кадра которая

позволяет принимающей стороне определить наличие ошибок в принятых

данных Принцип ее использования состоит в следующем Сетевой адаптер

отправляющего компьютера после формирования кадра вычисляет значение

- 36 -

его контрольной суммы на основе содержимого и помещает это значение в

заголовок кадра Принимающая сторона также вычисляет контрольную

сумму полученного кадра и сравнивает его со значением помещенным в

заголовке Если они не совпадают то это означает что во время передачи

кадра произошла ошибка

4 Поля предназначенные для адресации абонентов в сложных сетях

(определены для протоколов применяемых в сетях базирующихся на

сложных топологиях)

Обобщенная структура кадра данных

Протоколы для сетей сложных топологий

Протоколы канального уровня этой группы являются более сложными чем

протоколы использующиеся в сетях типа точка-точка так как вынуждены

выполнять ряд дополнительных функций Основными функциями являются

Выделение на всем множестве компьютеров подключенных к сети

конкретного абонента с которым осуществляется информационный обмен

то есть адресация

Адресация абонентов

Упорядочивание доступа к среде передачи в случае когда нескольким парам

абонентов требуется осуществить передачу данных

Для обеспечения адресации абонентов в заголовке кадров должны

присутствовать следующие поля

- 37 -

1 Адрес отправителя ndash некоторое число (или набор чисел) позволяющее

идентифицировать сетевой адаптер (а следовательно и компьютер в

котором она установлена) который осуществил передачу кадра данных в

сеть Адреса присваиваются сетевым адаптерам на заводе-изготовителе и

как правило не изменяются в дальнейшем хотя большинство современных

адаптеров позволяют перепрограммировать сетевой адрес

Протоколы канального уровня и сетевые технологии

Функциональный состав того или иного протокола канального уровня во

многом определяется особенностями физического уровня например

топологией сети или типом среды передачи Поэтому при проектировании

сетевого взаимодействия используются и разрабатываются комплексные

стандарты получившие название сетевых технологий

Сетевая технология ndash это набор стандартов определяющий минимальный

состав программно-аппаратных средств достаточный для организации

взаимодействия компьютеров в сети Как правило сетевая технология

определяет топологию сети а также протокол канального уровня (формат

кадра порядок обмена кадрами MTU)

В настоящее время существует большое количество сетевых технологий и

соответственно определяемых ими протоколов канального уровня

Рассмотрим для примера одну из наиболее популярных в настоящее время

технологий ndash технологию локальных сетей Ethernet Эта технология

предполагает что сеть должна строиться на основе физических топологий

шина если используется коаксиальный кабель или звезда если

используется кабель типа витая пара В зависимости от типа используемого

кабеля скорость передачи данных лежит в диапазоне 10-100 Мбитс В

качестве метода доступа к среде передачи используется метод обнаружения

коллизий (CSMACD) Что касается формата кадра то в настоящее время на

практике используются 4 варианта кадров Ethernet отличающихся друг от

друга но все они согласуются с общими положениями изложенными ранее

Максимальный объем данных передаваемых в одном кадре (MTU) в

технологии Ethernet не может превышать 1500 байт

Помимо технологии Ethernet в настоящее время в локальных сетях широко

используются технологии AppleTalk FDDI и ATM В глобальных сетях

широко распространены технологии ATM FrameRelay ISDN и SMDS

Существует также ряд технологий использующихся для организации

беспроводных сетей Наиболее популярной технологией применяемой при

- 38 -

построении локальных сетей в настоящее время является технология

RadioEthernet Она предполагает передачу данных в двух УКВ-диапазонах

около 915 МГЦ и 2400-24835 МГц а также в инфракрасном спектре

Диапазон 915 МГц в России и Европе достаточно сильно загружен

средствами связи (сотовая телефония) поэтому он используется как

правило для организации сетей внутри зданий хотя технически позволяет

осуществлять передачу на значительные расстояния Это же ограничение

распространяется и на инфракрасный диапазон поскольку инфракрасные

лучи чувствительны к погодным условиям В зависимости от того какой

режим передачи используется сети RadioEthernet позволяют осуществлять

передачу данных со скоростью 2 - 10 Мбитс Технология RadioEthernet

предполагает построение сетей на базе топологий точка-точка и звезда В

качестве метода доступа используется метод предупреждения коллизий

(CSMACA)

Наряду с кабельными и беспроводными технологиями существуют также

технологии предполагающие комбинирование различных типов физической

среды передачи Обычно они применяются для построения асимметричных

сетей небольшие по объему запросы пользовательских компьютеров

передаются по кабельным каналам например с использованием телефонных

линий и модемов а прием осуществляется через спутниковый радиоканал

Объединение сетей на канальном уровне

Сложные сети в общем случае представляют собой совокупность

нескольких сетей Такие сети называются объединенными сетями

(internetwork)

Необходимость объединения сетей может быть вызвана разными причинами

Прежде всего это - преодоление технических ограничений среды передачи

например максимального расстояния передачи данных Кроме того

построение сети как объединенной позволяет повысить надежность (выход

из строя одной физической среды не влияет на работу остальных) и

обеспечить определенный уровень конфиденциальности (данные

передаваемые между компьютерами одной физической среды оказываются

недоступными компьютерам других сетей)

Для построения объединенных сетей требуются специальные устройства

которые позволяют подключать к себе две (или более) сети Наиболее

простым устройством такого вида является мост (bridge)

Мост

- 39 -

Принцип функционирования моста достаточно прост для подключения сетей

мост располагает несколькими портами с каждым из которых связываются

записи так называемой адресной таблицы содержащей список адресов

компьютеров сетей подключенных к мосту Когда мост получает кадр

данных то он передает его в сеть через порт который согласно таблице

соответствует адресу получателя В случае если адрес получателя не

обнаружен в адресной таблице то кадр передается во все сети Адресные

таблицы мостов как правило строятся на основе анализа кадров

передаваемых по сетям

Функции сетевого уровня

Сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе

различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне

достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети

но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети

с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это

объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

адресации определенных различными технологиями Поэтому для

обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства

представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую

абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых

технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого

уровня модели OSI

Очевидно что устройства этого уровня предназначенные для объединения

сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального

уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную

передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть

определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку

составной сети Процесс определения пути прохождения данных через

подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства

объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название

маршрутизаторов

- 40 -

Протокол IP

Протокол IP (Internet Protocol) входит в состав стека протоколов TCPIP и

является основным протоколом сетевого уровня использующимся в

Интернет и обеспечивающим единую схему логической адресации устройств

в сети и маршрутизацию данных

Для выполнения своих функций протокол определяет свой собственный

формат пакета Основными информационными полями заголовка пакета

являются

IP-адреса отправителя и получателя ndash предназначены для

идентификации отправителя и получателя (см IP-адресация)

Время жизни пакета (Time To Live TTL) - определяет время которое

IP-пакет может находиться в сети и предназначено для

предотвращения захламления сети заблудившимися пакетами

поля предназначенные для фрагментации пакетов (см IP-

фрагментация)

поля предназначенные для управления обработкой пакета (длина

пакета и заголовка контрольная сумма заголовка тип обслуживания и

тд)

Существует 5 классов IP-адресов ndash A B C D E Принадлежность IP-

адреса к тому или иному классу определяется значением первого

октета (W) Ниже показано соответствие значений первого октета и

классов адресов

Класс IP-адреса A B C D E

Диапазон первого

октета

1-

126

128-

191

192-

223

224-

239

240-

247

IP-адреса первых трех классов предназначены для адресации

отдельных узлов и отдельных сетей Такие адреса состоят из двух

частей ndash номера сети и номера узла Такая схема аналогична схеме

почтовых индексов ndash первые три цифры кодируют регион а остальные

ndash почтовое отделение внутри региона

Преимущества двухуровневой схемы очевидны она позволяет во-

первых адресовать целиком отдельные сети внутри составной сети

что необходимо для обеспечения маршрутизации а во-вторых ndash

присваивать узлам номера внутри одной сети независимо от других

сетей Естественно что компьютеры входящие в одну и ту же сеть

должны иметь IP-адреса с одинаковым номером сети

- 41 -

IP-Маршрутизация ndash процесс выбора пути для передачи пакета в сети Под

путем (маршрутом) понимается последовательность маршрутизаторов через

которые проходит пакет по пути к узлу-назначению IP-маршрутизатор ndash это

специальное устройство предназначенное для объединения сетей и

обеспечивающее определение пути прохождения пакетов в составной сети

Маршрутизатор должен иметь несколько IP-адресов с номерами сетей

соответствующими номерам объединяемых сетей

Как известно для разных сетевых технологий значение MTU определенное

для кадров данных может отличаться Поэтому при преобразовании кадров

на маршрутизаторе может потребоваться разделение вложенных в них IP-

пакетов на более мелкие пакеты

Для разделения пакетов на фрагменты модуль IP установленный на

маршрутизаторе создает на его основе некоторое число новых пакетов (в

соответствии с длиной исходного пакета и значения MTU для сети куда

должны быть переданы данные) Для того чтобы данные могли быть

правильно собраны получателем в заголовки новых IP-пакетов помещается

специальный числовой идентификатор позволяющий однозначно

определить что эти пакеты являются фрагментами одного большого пакета

Кроме того в заголовках также указывается положения фрагментов в

исходном пакете что позволяет обеспечить правильный порядок сборки

получателем

Вспомогательные протоколы сетевого уровня стека TCPIP

Главными функциями протокола IP является обеспечение единой схемы

адресации независимой от принципов адресации определяемых сетевыми

технологиями (адресацией канального уровня) а также передача данных по

составной сети (маршрутизация и фрагментация пакетов) Однако для

организации реального взаимодействия этого оказывается недостаточно -

существует еще ряд проблем

Первая проблема состоит в следующем Для того чтобы передать данные по

сети программное обеспечение протокола IP создает пакет и передает его

средствам канального уровня При этом средствам канального уровня для

формирования кадра данных необходим адрес получателя причем не

логический IP-адрес а MAC-адрес который может быть правильно опознан

сетевым адаптером принимающего компьютера Однако спецификацией

протокола IP не предусмотрен механизм позволяющий определять

соответствие между аппаратными и IP-адресами Эту функцию выполняет

вспомогательный протокол сетевого уровня ARP (Address Resolution

Protocol) входящий в семейство протоколов TCPIP

- 42 -

Другая серьезная проблема состоит в том что если при обработке IP-пакета

на маршрутизаторе возникли какие-то проблемы например истекло время

жизни пакета то отправитель о них не узнает поскольку механизм

обратной связи также не предусмотрен спецификацией протокола IP Для

решения этой проблемы используется специальный протокол сетевого

уровня ICMP (Internet Control Message Protocol) входящий в стек протоколов

TCPIP и обеспечивающий передачу управляющей информации и

информации об ошибках

В семействе протоколов TCPIP предусмотрен также ряд других

вспомогательных протоколов например протоколы динамической

маршрутизации обеспечивающие обмен информацией между

маршрутизаторами с целью автоматизации построения таблиц

маршрутизации

Транспортный уровень

Функции транспортного уровня

Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных между

устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд)

Однако не следует забывать что на одном узле может функционировать

параллельно несколько программ которым требуется доступ к сети

Следовательно данные внутри компьютерной системы должны

распределяться между программами Поэтому при передаче данных по сети

недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо также

идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является

отсутствие средств позволяющих передавать большие массивы данных

Когда исходные данные превышают максимально допустимый размер пакета

сетевого уровня то эти данные должны быть разбиты на порции каждая из

которых передается в сеть отдельным пакетом Однако каждый пакет

сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других блок

данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и

следовательно ndash обнаружить нарушение целостности общего массива

данных Поэтому средства транспортного уровня обеспечивают отсутствие

потерь информации Такой режим передачи данных получил название

гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой

- 43 -

функциональную надстройку над сетевым уровнем и решают две основных

задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

обеспечение гарантированной доставки массивов данных

произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash

UDP обеспечивающий негарантированную доставку данных между

программами и TCP обеспечивающий гарантированную доставку с

установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной

уровень

Компоненты четырех нижних уровней модели OSI (физического канального

сетевого и транспортного) представляют собой механизм обеспечивающий

доставку данных любого типа и произвольного объема между программами

работающими на разных узлах составной сети Однако при работе в сети

пользователям требуется не просто пересылка данных а выполнение каких-

либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех

возможностей которые предоставляют средства нижних уровней

недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо

просмотреть документ расположенный не на его локальном компьютере а

на удаленной машине Решение такой задачи предполагает как минимум

прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса

содержащего имя документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного

компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной

машины изменений вносимых в этот документ другими пользователями и

уведомление об этом пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав

пользователя на работу с документом что предполагает дополнительный

- 44 -

обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних

уровней не имеют средств позволяющих реализовать специфику такого

взаимодействия Поэтому для его организации требуются дополнительные

надстройки над средствами транспортного и нижележащих уровней В

эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный уровень

уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или

сессии) при длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое

(виртуальное) соединение между двумя программами в общем случае

функционирующими на разных компьютерах В простейшем случае

установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти

необходимых для приема и передачи данных После окончания передачи

данных происходит закрытие соединения предполагающее освобождение

выделенных ресурсов Во многих случаях этого недостаточно поэтому

сессионный уровень предлагает более сложные механизмы для организации

сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая

поддержка осуществляется путем периодической отправки специальных

тестовых пакетов при получении которых участник соединения должен

ответить Возвращаясь к предложенному выше примеру следует отметить

что установление соединения при работе с удаленным документом позволяет

один раз перед началом работы проверить права доступа пользователя а

также один раз передать запрос с именем файла В случае если бы

соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог

бы уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться

дополнительное преобразование Например это необходимо в случае если

взаимодействующие программы используют различные способы кодировки

текстовой информации или если для обеспечения защиты информации

требуется осуществлять шифрование данных Обеспечение подобных

промежуточных преобразований возложено на уровень представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными

уровнями Они позволяют осуществлять работу с различными

информационными ресурсами сети например файлами или сообщениями

электронной почты Естественно что различные типы ресурсов в общем

случае требуют различных методов обработки и в том числе методов

сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI

- 45 -

является прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции

работы с конкретными информационными объектами В предложенном выше

примере (чтение удаленного документа) к функциям прикладного протокола

относятся формирование запросов на получение документа проверка прав

доступа а также определение порядка пересылки файлов и уведомлений об

изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами

определяемых протоколами прикладного уровня часть функций сессионного

уровня и уровня представления может оказаться избыточной поэтому при

программной реализации три верхних уровня обычно объединяются

Page 19: - 3 - ВВЕДЕНИЕicm.muctr.ru/study/computers/inf001.pdf · 2016-08-25 · - 7 - А) Количество информации как мера уменьшения неопределенности

- 21 -

идентифицировать компьютер в объединенной сети Одной из главных функций

выполняемых средствами данного уровня является целенаправленная передача данных

конкретному получателю

Транспортный уровень(Transport layer) реализует передачу данных между двумя

программами функционирующими на разных компьютерах обеспечивая при этом

отсутствие потерь и дублирования информации которые могут возникать в результате

ошибок передачи нижних уровней В случае если данные передаваемые через

транспортный уровень подвергаются фрагментации то средства данного уровня

гарантируют сборку фрагментов в правильном порядке

Сессионный (или сеансовый) уровень (Session layer) позволяет двум программам

поддерживать продолжительное взаимодействие по сети называемое сессией (session)

или сеансом Этот уровень управляет установлением сеанса обменом информацией и

завершением сеанса Он также отвечает за идентификацию позволяя тем самым только

определенным абонентам принимать участие в сеансе и обеспечивает работу служб

безопасности с целью упорядочивания доступа к информации сессии

Уровень представления(Presentation layer) осуществляет промежуточное

преобразование данных исходящего сообщения в общий формат который предусмотрен

средствами нижних уровней а также обратное преобразование входящих данных из

общего формата в формат понятный получающей программе

Основные принципы уровневого взаимодействия

При уровневой организации процесса взаимодействия должны соблюдаться следующие

требования

компоненты одного уровня одной системы могут взаимодействовать с

компонентами только того же уровня другой системы

в рамках одной системы компоненты какого-либо уровня могут взаимодействовать

только с компонентами смежных (вышележащего и нижележащего) уровней

Набор правил определяющих порядок взаимодействия средств относящихся к одному и

тому же уровню и функционирующих в разных системах называется протоколом

(protocol) Правила взаимодействия между собой средств относящихся к смежным

уровням и функционирующих в одной системе называются интерфейсом (interface)

Функции физического уровня

Физический уровень определяет способ физического соединения компьютеров в сети

Основными функциями средств относящихся к данному уровню является побитовое

преобразование цифровых данных в сигналы среды передачи а также собственно

передача сигналов по физической среде

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно распространение

информационных сигналов в виде электрических световых и тп импульсов В настоящее

время выделяют два основных типа физических соединений соединения с помощью

кабеля и беспроводные соединения

- 22 -

Кабель (cable) используемый для построения компьютерных сетей представляет собой

сложную конструкцию состоящую в общем случае из проводников изолирующих и

экранирующих слоев В современных сетях используются три типа кабеля

Каждый тип кабеля отличается от других внутренним устройством и обладает целым

набором технических характеристик влияющих на основные потребительские параметры

сетей

Тип кабеля Характеристика

Максимальное

расстояние передачи

Максимальная

скорость передачи

Коаксиальный

кабель 185 ndash 500 м 10 Мбитс

Витая пара 30 ndash 100 м 10 Мбитс ndash 1

Гбитс

Оптоволоконный

кабель 2 км

10 Мбитс ndash 2

Гбитс

Топология сети - способ соединения компьютеров с помощью физической среды

Если сеть состоит всего из двух компьютеров то они соединяются напрямую Такой

способ соединения получил название точка-точка (point-to-point)

Выделяют три базовые топологии Шина (bus) Кольцо (ring) Звезда(star)

laquoШинаraquo - использует один передающий канал на базе коаксиального кабеля называемый

шиной Все сетевые компьютеры присоединяются напрямую к шине На концах кабеля-

шины устанавливаются специальные заглушки - терминаторы (terminator) Они

необходимы для того чтобы погасить сигнал после прохождения по шине К недостаткам

топологии Шина следует отнести следующее

данные предаваемые по кабелю доступны всем подключенным компьютерам

в случае повреждения шины вся сеть перестает функционировать

laquoКольцоraquo - характерно отсутствие конечных точек соединения сеть замкнута образуя

неразрывное кольцо по которому передаются данные Эта топология подразумевает

следующий механизм передачи данные передаются последовательно от одного

компьютера к другому пока не достигнут компьютера-получателя Недостатки топологии

кольцо те же то и у топологии шина

общедоступность данных

неустойчивость к повреждениям кабельной системы

В сети с топологией звезда все компьютеры соединены со специальным устройством

называемым сетевым концентратором или хабом (hub) который выполняет функции

- 23 -

распределения данных Прямые соединения двух компьютеров в сети отсутствуют

Благодаря этому имеется возможность решения проблемы общедоступности данных а

также повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы Однако

функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора

Канальный уровень - отвечает за организацию передачи данных между абонентами

через физический уровень поэтому на данном уровне предусмотрены средства адресации

позволяющие однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к общему физическому каналу В функции данного

уровня также входит упорядочивание передачи с целью обеспечения возможности

параллельного использования одного физического канала несколькими парами абонентов

Средства канального уровня обеспечивают проверку ошибок которые могут возникать

при передаче данных физическим уровнем Большинство функций канального уровня

выполняются устройствами передачи данных (например сетевым адаптером)

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена способ

представления информации а также необходимый набор правил позволяющий

упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток битов Перед

передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с принципом пакетной

коммутации разделяется на порции каждая из которых снабжается заголовком

содержащим некоторую служебную информацию те формируется пакет На канальном

уровне пакет называется кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает протокол Сложность

канальных протоколов во многом определяется сложностью топологии сети Очевидно

что организовать общение всего двух абонентов существенно проще чем упорядочивать

информационный обмен в сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких

пар абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Сетевой уровень - сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

- 24 -

адресации определенных различными технологиями Поэтому для обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого уровня модели OSI Устройства этого уровня предназначенные для объединения сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку составной сети Процесс определения пути прохождения данных через подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название маршрутизаторов

Транспортный уровень Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных

между устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд) Однако

не следует забывать что на одном узле может функционировать параллельно несколько

программ которым требуется доступ к сети Следовательно данные внутри

компьютерной системы должны распределяться между программами Поэтому при

передаче данных по сети недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо

также идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является отсутствие средств

позволяющих передавать большие массивы данных Когда исходные данные превышают

максимально допустимый размер пакета сетевого уровня то эти данные должны быть

разбиты на порции каждая из которых передается в сеть отдельным пакетом Однако

каждый пакет сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других

блок данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и следовательно ndash

обнаружить нарушение целостности общего массива данных Поэтому средства

транспортного уровня обеспечивают отсутствие потерь информации Такой режим

передачи данных получил название гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой функциональную

надстройку над сетевым уровнем и решают две основных задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

- 25 -

обеспечение гарантированной доставки массивов данных произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash UDP

обеспечивающий негарантированную доставку данных между программами и TCP

обеспечивающий гарантированную доставку с установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной уровень - Компоненты четырех

нижних уровней модели OSI (физического канального сетевого и транспортного)

представляют собой механизм обеспечивающий доставку данных любого типа и

произвольного объема между программами работающими на разных узлах составной

сети Однако при работе в сети пользователям требуется не просто пересылка данных а

выполнение каких-либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех возможностей

которые предоставляют средства нижних уровней недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо просмотреть

документ расположенный не на его локальном компьютере а на удаленной машине

Решение такой задачи предполагает как минимум прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса содержащего имя

документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной машины

изменений вносимых в этот документ другими пользователями и уведомление об этом

пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав пользователя на

работу с документом что предполагает дополнительный обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних уровней не имеют

средств позволяющих реализовать специфику такого взаимодействия Поэтому для его

организации требуются дополнительные надстройки над средствами транспортного и

нижележащих уровней В эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный

уровень уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или сессии) при

длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое (виртуальное) соединение между

двумя программами в общем случае функционирующими на разных компьютерах В

простейшем случае установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти необходимых для

приема и передачи данных После окончания передачи данных происходит закрытие

соединения предполагающее освобождение выделенных ресурсов Во многих случаях

этого недостаточно поэтому сессионный уровень предлагает более сложные механизмы

для организации сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая поддержка

осуществляется путем периодической отправки специальных тестовых пакетов при

получении которых участник соединения должен ответить Возвращаясь к

предложенному выше примеру следует отметить что установление соединения при

работе с удаленным документом позволяет один раз перед началом работы проверить

- 26 -

права доступа пользователя а также один раз передать запрос с именем файла В случае

если бы соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог бы

уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться дополнительное

преобразование Например это необходимо в случае если взаимодействующие

программы используют различные способы кодировки текстовой информации или если

для обеспечения защиты информации требуется осуществлять шифрование данных

Обеспечение подобных промежуточных преобразований возложено на уровень

представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными уровнями Они

позволяют осуществлять работу с различными информационными ресурсами сети

например файлами или сообщениями электронной почты Естественно что различные

типы ресурсов в общем случае требуют различных методов обработки и в том числе

методов сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI является

прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции работы с конкретными

информационными объектами В предложенном выше примере (чтение удаленного

документа) к функциям прикладного протокола относятся формирование запросов на

получение документа проверка прав доступа а также определение порядка пересылки

файлов и уведомлений об изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами определяемых

протоколами прикладного уровня часть функций сессионного уровня и уровня

представления может оказаться избыточной поэтому при программной реализации три

верхних уровня обычно объединяются

Модель сетевого взаимодействия

В 1984 году Международной Организацией по Стандартизации (International

Standard Organization ISO) была разработана модель взаимодействия

открытых систем (Open Systems Interconnection OSI) Модель представляет

собой международный стандарт для проектирования сетевых коммуникаций

и предполагает уровневый подход к построению сетей Каждый уровень

модели обслуживает различные этапы процесса взаимодействия

Посредством деления на уровни сетевая модель OSI упрощает совместную

работу оборудования и программного обеспечения Модель OSI разделяет

сетевые функции на семь уровней прикладной уровень представления

сессионный транспортный сетевой канальный и физический

Ниже дается краткая характеристика уровней модели

Физический уровень (Physical layer) определяет способ физического

соединения компьютеров в сети Функциями средств относящихся к

данному уровню являются побитовое преобразование цифровых

- 27 -

данных в сигналы передаваемые по физической среде (например по

кабелю) а также собственно передача сигналов

Канальный уровень(Data Link layer) отвечает за организацию передачи

данных между абонентами через физический уровень поэтому на

данном уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к обще линии связи В функции

данного уровня также входит упорядочивание передачи с целью

параллельного использования одной линии связи несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем

Сетевой уровень(Network layer) обеспечивает доставку данных между

компьютерами сети представляющей собой объединение различных

физических сетей Данный уровень предполагает наличие средств

логической адресации позволяющих однозначно идентифицировать

компьютер в объединенной сети Одной из главных функций

выполняемых средствами данного уровня является целенаправленная

передача данных конкретному получателю

Транспортный уровень(Transport layer) реализует передачу данных

между двумя программами функционирующими на разных

компьютерах обеспечивая при этом отсутствие потерь и дублирования

информации которые могут возникать в результате ошибок передачи

нижних уровней В случае если данные передаваемые через

транспортный уровень подвергаются фрагментации то средства

данного уровня гарантируют сборку фрагментов в правильном

порядке

Сессионный (или сеансовый) уровень (Session layer) позволяет двум

программам поддерживать продолжительное взаимодействие по сети

называемое сессией (session) или сеансом Этот уровень управляет

установлением сеанса обменом информацией и завершением сеанса

Он также отвечает за идентификацию позволяя тем самым только

определенным абонентам принимать участие в сеансе и обеспечивает

работу служб безопасности с целью упорядочивания доступа к

информации сессии

Уровень представления(Presentation layer) осуществляет

промежуточное преобразование данных исходящего сообщения в

общий формат который предусмотрен средствами нижних уровней а

также обратное преобразование входящих данных из общего формата в

формат понятный получающей программе

Прикладной уровень (Application layer) предоставляет

высокоуровневые функции сетевого взаимодействия такие как

передача файлов отправка сообщений по электронной почте и тп

Основные принципы уровневого взаимодействия

- 28 -

При уровневой организации процесса взаимодействия должны соблюдаться

следующие требования

компоненты одного уровня одной системы могут взаимодействовать с

компонентами только того же уровня другой системы

в рамках одной системы компоненты какого-либо уровня могут

взаимодействовать только с компонентами смежных (вышележащего и

нижележащего) уровней

Порядок уровневого взаимодействия

Набор правил определяющих порядок взаимодействия средств относящихся

к одному и тому же уровню и функционирующих в разных системах

называется протоколом (protocol) Правила взаимодействия между собой

средств относящихся к смежным уровням и функционирующих в одной

системе называются интерфейсом (interface)

Практическая реализация уровневого взаимодействия

На практике протоколы и интерфейсы регламентируют технические

требования предъявляемые к программным и аппаратным средствам

Программные (аппаратные) модули предназначенные для обеспечения

практического взаимодействия определяемого тем или иным протоколом

(или интерфейсом) обычно называют реализацией протокола (или

интерфейса)

Хотя различные компоненты относящиеся к различным уровням сетевой

модели формально должны быть функционально независимыми друг от

друга при практической разработке протоколов такая независимость не

всегда выдерживается Это объясняется тем что попытка добиться точного

соответствия эталонной модели может привести к неэффективности работы

программно-аппаратного обеспечения реализующего протокол В настоящее

время наблюдается два типа отклонений возникающих при реализации

уровневого взаимодействия

- 29 -

функции некоторых уровней могут объединяться одним протоколом и

наоборот ndash функции одного уровня могут делиться между различными

протоколами

функционирование протокола какого-либо уровня подразумевают

использование только определенных протоколов нижележащего

уровня

Поэтому разработка практических методов сетевого взаимодействия как

правило подразумевает разработку не отдельных протоколов а целых

наборов протоколов Такие наборы обычно включают в себя протоколы

относящиеся к нескольким смежным уровням эталонной модели OSI и

называются стеками (или семействами наборами) протоколов (protocol stack

protocol suite) Наиболее известным стеком протоколов обеспечивающим

взаимодействие в сети Интернет является стек протоколов TCPIP

Физический уровень

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Среда передачи

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Физический уровень определяет способ физического соединения

компьютеров в сети Основными функциями средств относящихся к

данному уровню является побитовое преобразование цифровых данных в

сигналы среды передачи а также собственно передача сигналов по

физической среде

Кабельные системы

- 30 -

Кабель (cable) используемый для построения компьютерных сетей

представляет собой сложную конструкцию состоящую в общем случае из

проводников изолирующих и экранирующих слоев В современных сетях

используются три типа кабеля

Еще одним важным понятием физического уровня является способ

соединения компьютеров с помощью физической среды или топология сети

Если сеть состоит всего из двух компьютеров то они соединяются

напрямую Такой способ соединения получил название точка-точка

(point-to-point)

Соединение типа точка-точка

Для обеспечения связи более чем двух компьютеров может использоваться

последовательность соединений типа точка-точка

Последовательность соединений типа точка-точка

Однако такой подход требует установки на большую часть компьютеров

нескольких устройств передачи данных

В качестве альтернативного подхода возможно использование более

сложных топологий позволяющих подключить к общей среде сразу

несколько компьютеров имеющих по одному устройству передачи данных

- 31 -

Выделяют три базовые топологии Шина (bus) Кольцо (ring)

Звезда(star)

Топология laquoШинаraquo

Топология Шина

Эта топология использует один передающий канал на базе коаксиального

кабеля называемый шиной Все сетевые компьютеры присоединяются

напрямую к шине На концах кабеля-шины устанавливаются специальные

заглушки - терминаторы (terminator) Они необходимы для того чтобы

погасить сигнал после прохождения по шине К недостаткам топологии

Шина следует отнести следующее

данные предаваемые по кабелю доступны всем подключенным

компьютерам

в случае повреждения шины вся сеть перестает функционировать

Топология laquoКольцоraquo

Топология Кольцо

Для топологии кольцо характерно отсутствие конечных точек соединения

сеть замкнута образуя неразрывное кольцо по которому передаются данные

Эта топология подразумевает следующий механизм передачи данные

передаются последовательно от одного компьютера к другому пока не

- 32 -

достигнут компьютера-получателя Недостатки топологии кольцо те же то

и у топологии шина

общедоступность данных

неустойчивость к повреждениям кабельной системы

Топология laquoЗвездаraquo

Топология Звезда

В сети с топологией звезда все компьютеры соединены со специальным

устройством называемым сетевым концентратором или хабом (hub)

который выполняет функции распределения данных Прямые соединения

двух компьютеров в сети отсутствуют Благодаря этому имеется

возможность решения проблемы общедоступности данных а также

повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы Однако

функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора

Физическая и логическая топологии

Следует отметить что термин топология может употребляться для

обозначения двух понятий ndash физической топологии и логической топологии

Физическая топология ndash способ физического соединения компьютеров с

помощью среды передачи например участками кабеля Логическая

топология определяет маршруты передачи данных в сети Во многих

случаях физическая топология однозначно определяет логическую

топологию Однако существуют такие конфигурации в которых логическая

топология отличается от физической Например сеть с физической

- 33 -

топологией laquoзвездаraquo может иметь логическую топологию laquoшинаraquo ndash все

зависит от того каким образом устроен сетевой концентратор

Кодированиедекодирование данных Как известно данные обрабатываемые

компьютером представляются в двоичном виде - как последовательность

нулей и единиц Однако понятия нуль и единица являются логическими

понятиями обозначающими электрические сигналы отличающиеся друг от

друга физическими параметрами и использующиеся для представления

информации в различных устройствах например оперативной памяти или

центральном процессоре В силу различных технических причин эти сигналы

не всегда могут передаваться по физическим каналам связи Поэтому они

должны быть преобразованы Процесс преобразования сигналов удобных

для компьютера в сигналы которые могут быть переданы по сети

называется физическим кодированием а обратное преобразование -

декодированием

Передача сигналов Информационные сигналы передаются по физическим

линиям связи последовательно В случае если между передающей и

принимающей сторонами параллельно существуют более одной линии

например проложено несколько кабелей то оказывается возможным

одновременно (параллельно) передавать несколько сигналов Если эти

сигналы представляют различные биты передаваемых данных то

повышается скорость информационного обмена Если же сигналы

представляют один и тот же бит данных - то повышается надежность

взаимодействия

Канальный уровень

Канальный уровень отвечает за организацию передачи данных

между абонентами через физический уровень поэтому на данном

уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к общему физическому

каналу В функции данного уровня также входит упорядочивание

передачи с целью обеспечения возможности параллельного

использования одного физического канала несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем Большинство функций канального уровня

выполняются устройствами передачи данных (например сетевым

- 34 -

адаптером)

Метод коммутации

дной из центральных проблем организации передачи данных по физическим

каналам является проблема параллельного использования одного и того же

канала несколькими парами абонентов Методы лежащие в основе ее

решения получили название методов коммутации

В настоящее время существует два основных метода коммутации

коммутация каналов и коммутация пакетов

Коммутация каналов предполагает что перед началом передачи данных

должна быть выполнена процедура установления соединения в результате

которой образуется составной канал По окончании сеанса связи соединение

разрывается и канал освобождается Классическим примером реализации

коммутации каналов является телефонная связь которая подразумевает что

абонент перед началом разговора набирает номер второго абонента в

результате чего последовательное переключение промежуточных

коммутаторов позволяет образовать непрерывный канал связи между

абонентами Коммутация каналов удобна для организации линий связи в

которых подразумевается передача потоков данных постоянной

интенсивности например таких как телефонный разговор в силу чего этот

метод оказывается недостаточно гибким при построении компьютерных

сетей

Метод коммутации пакетов основан на разбиении передаваемых по сети

данных на небольшие порции Каждая такая порция передается по сети

как единое целое и называется пакетом Такой метод является очень

удобным для параллельного использования физического канала несколькими

парами абонентов канал является занятым только во время прохождения

пакета Временные промежутки между передачей пакетов одним абонентам

могут быть использованы другими для отправки собственных пакетов

Пакет обычно состоит из двух частей ndash заголовка содержащего служебные

данные необходимые для управления доставкой пакета и собственно

данных подлежащих передаче Порядок обмена пакетами а также

конкретный состав заголовка пакетов определяется сетевым протоколом

Для именования пакетов различных уровней модели OSI используются

специальные термины Для канального уровня используется термин кадр

для сетевого ndash пакет для транспортного ndash сегмент дейтаграмма для

сессионного и более высоких уровней ndash сообщение

- 35 -

Протоколы канального уровня

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена

способ представления информации а также необходимый набор правил

позволяющий упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток

битов Перед передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с

принципом пакетной коммутации разделяется на порции каждая из

которых снабжается заголовком содержащим некоторую служебную

информацию те формируется пакет На канальном уровне пакет называется

кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает

протокол Сложность канальных протоколов во многом определяется

сложностью топологии сети Очевидно что организовать общение всего двух

абонентов существенно проще чем упорядочивать информационный обмен в

сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких пар

абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Структура кадра данных

Состав заголовка кадра зависит от многих факторов определяемых набором

функций которые выполняет протокол Тем не менее можно выделить ряд

информационных полей которые обычно присутствуют в заголовке кадра К

таким полям относятся

1 Специальные поля предназначенные для определения границ кадров

Поскольку в физической среде могут постоянно проходить какие-либо

сигналы то сетевые адаптеры должны уметь разбираться в том когда

начинается передача кадра и когда она заканчивается

2 Поле предназначенное для определения протокола сетевого уровня

которому необходимо передать данные Так как на одном компьютере могут

функционировать программные модули различных протоколов сетевого

уровня то протоколы канального уровня должны уметь распределять данные

по этим протоколам

3 Контрольная сумма (или специальный код) содержимого кадра которая

позволяет принимающей стороне определить наличие ошибок в принятых

данных Принцип ее использования состоит в следующем Сетевой адаптер

отправляющего компьютера после формирования кадра вычисляет значение

- 36 -

его контрольной суммы на основе содержимого и помещает это значение в

заголовок кадра Принимающая сторона также вычисляет контрольную

сумму полученного кадра и сравнивает его со значением помещенным в

заголовке Если они не совпадают то это означает что во время передачи

кадра произошла ошибка

4 Поля предназначенные для адресации абонентов в сложных сетях

(определены для протоколов применяемых в сетях базирующихся на

сложных топологиях)

Обобщенная структура кадра данных

Протоколы для сетей сложных топологий

Протоколы канального уровня этой группы являются более сложными чем

протоколы использующиеся в сетях типа точка-точка так как вынуждены

выполнять ряд дополнительных функций Основными функциями являются

Выделение на всем множестве компьютеров подключенных к сети

конкретного абонента с которым осуществляется информационный обмен

то есть адресация

Адресация абонентов

Упорядочивание доступа к среде передачи в случае когда нескольким парам

абонентов требуется осуществить передачу данных

Для обеспечения адресации абонентов в заголовке кадров должны

присутствовать следующие поля

- 37 -

1 Адрес отправителя ndash некоторое число (или набор чисел) позволяющее

идентифицировать сетевой адаптер (а следовательно и компьютер в

котором она установлена) который осуществил передачу кадра данных в

сеть Адреса присваиваются сетевым адаптерам на заводе-изготовителе и

как правило не изменяются в дальнейшем хотя большинство современных

адаптеров позволяют перепрограммировать сетевой адрес

Протоколы канального уровня и сетевые технологии

Функциональный состав того или иного протокола канального уровня во

многом определяется особенностями физического уровня например

топологией сети или типом среды передачи Поэтому при проектировании

сетевого взаимодействия используются и разрабатываются комплексные

стандарты получившие название сетевых технологий

Сетевая технология ndash это набор стандартов определяющий минимальный

состав программно-аппаратных средств достаточный для организации

взаимодействия компьютеров в сети Как правило сетевая технология

определяет топологию сети а также протокол канального уровня (формат

кадра порядок обмена кадрами MTU)

В настоящее время существует большое количество сетевых технологий и

соответственно определяемых ими протоколов канального уровня

Рассмотрим для примера одну из наиболее популярных в настоящее время

технологий ndash технологию локальных сетей Ethernet Эта технология

предполагает что сеть должна строиться на основе физических топологий

шина если используется коаксиальный кабель или звезда если

используется кабель типа витая пара В зависимости от типа используемого

кабеля скорость передачи данных лежит в диапазоне 10-100 Мбитс В

качестве метода доступа к среде передачи используется метод обнаружения

коллизий (CSMACD) Что касается формата кадра то в настоящее время на

практике используются 4 варианта кадров Ethernet отличающихся друг от

друга но все они согласуются с общими положениями изложенными ранее

Максимальный объем данных передаваемых в одном кадре (MTU) в

технологии Ethernet не может превышать 1500 байт

Помимо технологии Ethernet в настоящее время в локальных сетях широко

используются технологии AppleTalk FDDI и ATM В глобальных сетях

широко распространены технологии ATM FrameRelay ISDN и SMDS

Существует также ряд технологий использующихся для организации

беспроводных сетей Наиболее популярной технологией применяемой при

- 38 -

построении локальных сетей в настоящее время является технология

RadioEthernet Она предполагает передачу данных в двух УКВ-диапазонах

около 915 МГЦ и 2400-24835 МГц а также в инфракрасном спектре

Диапазон 915 МГц в России и Европе достаточно сильно загружен

средствами связи (сотовая телефония) поэтому он используется как

правило для организации сетей внутри зданий хотя технически позволяет

осуществлять передачу на значительные расстояния Это же ограничение

распространяется и на инфракрасный диапазон поскольку инфракрасные

лучи чувствительны к погодным условиям В зависимости от того какой

режим передачи используется сети RadioEthernet позволяют осуществлять

передачу данных со скоростью 2 - 10 Мбитс Технология RadioEthernet

предполагает построение сетей на базе топологий точка-точка и звезда В

качестве метода доступа используется метод предупреждения коллизий

(CSMACA)

Наряду с кабельными и беспроводными технологиями существуют также

технологии предполагающие комбинирование различных типов физической

среды передачи Обычно они применяются для построения асимметричных

сетей небольшие по объему запросы пользовательских компьютеров

передаются по кабельным каналам например с использованием телефонных

линий и модемов а прием осуществляется через спутниковый радиоканал

Объединение сетей на канальном уровне

Сложные сети в общем случае представляют собой совокупность

нескольких сетей Такие сети называются объединенными сетями

(internetwork)

Необходимость объединения сетей может быть вызвана разными причинами

Прежде всего это - преодоление технических ограничений среды передачи

например максимального расстояния передачи данных Кроме того

построение сети как объединенной позволяет повысить надежность (выход

из строя одной физической среды не влияет на работу остальных) и

обеспечить определенный уровень конфиденциальности (данные

передаваемые между компьютерами одной физической среды оказываются

недоступными компьютерам других сетей)

Для построения объединенных сетей требуются специальные устройства

которые позволяют подключать к себе две (или более) сети Наиболее

простым устройством такого вида является мост (bridge)

Мост

- 39 -

Принцип функционирования моста достаточно прост для подключения сетей

мост располагает несколькими портами с каждым из которых связываются

записи так называемой адресной таблицы содержащей список адресов

компьютеров сетей подключенных к мосту Когда мост получает кадр

данных то он передает его в сеть через порт который согласно таблице

соответствует адресу получателя В случае если адрес получателя не

обнаружен в адресной таблице то кадр передается во все сети Адресные

таблицы мостов как правило строятся на основе анализа кадров

передаваемых по сетям

Функции сетевого уровня

Сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе

различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне

достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети

но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети

с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это

объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

адресации определенных различными технологиями Поэтому для

обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства

представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую

абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых

технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого

уровня модели OSI

Очевидно что устройства этого уровня предназначенные для объединения

сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального

уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную

передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть

определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку

составной сети Процесс определения пути прохождения данных через

подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства

объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название

маршрутизаторов

- 40 -

Протокол IP

Протокол IP (Internet Protocol) входит в состав стека протоколов TCPIP и

является основным протоколом сетевого уровня использующимся в

Интернет и обеспечивающим единую схему логической адресации устройств

в сети и маршрутизацию данных

Для выполнения своих функций протокол определяет свой собственный

формат пакета Основными информационными полями заголовка пакета

являются

IP-адреса отправителя и получателя ndash предназначены для

идентификации отправителя и получателя (см IP-адресация)

Время жизни пакета (Time To Live TTL) - определяет время которое

IP-пакет может находиться в сети и предназначено для

предотвращения захламления сети заблудившимися пакетами

поля предназначенные для фрагментации пакетов (см IP-

фрагментация)

поля предназначенные для управления обработкой пакета (длина

пакета и заголовка контрольная сумма заголовка тип обслуживания и

тд)

Существует 5 классов IP-адресов ndash A B C D E Принадлежность IP-

адреса к тому или иному классу определяется значением первого

октета (W) Ниже показано соответствие значений первого октета и

классов адресов

Класс IP-адреса A B C D E

Диапазон первого

октета

1-

126

128-

191

192-

223

224-

239

240-

247

IP-адреса первых трех классов предназначены для адресации

отдельных узлов и отдельных сетей Такие адреса состоят из двух

частей ndash номера сети и номера узла Такая схема аналогична схеме

почтовых индексов ndash первые три цифры кодируют регион а остальные

ndash почтовое отделение внутри региона

Преимущества двухуровневой схемы очевидны она позволяет во-

первых адресовать целиком отдельные сети внутри составной сети

что необходимо для обеспечения маршрутизации а во-вторых ndash

присваивать узлам номера внутри одной сети независимо от других

сетей Естественно что компьютеры входящие в одну и ту же сеть

должны иметь IP-адреса с одинаковым номером сети

- 41 -

IP-Маршрутизация ndash процесс выбора пути для передачи пакета в сети Под

путем (маршрутом) понимается последовательность маршрутизаторов через

которые проходит пакет по пути к узлу-назначению IP-маршрутизатор ndash это

специальное устройство предназначенное для объединения сетей и

обеспечивающее определение пути прохождения пакетов в составной сети

Маршрутизатор должен иметь несколько IP-адресов с номерами сетей

соответствующими номерам объединяемых сетей

Как известно для разных сетевых технологий значение MTU определенное

для кадров данных может отличаться Поэтому при преобразовании кадров

на маршрутизаторе может потребоваться разделение вложенных в них IP-

пакетов на более мелкие пакеты

Для разделения пакетов на фрагменты модуль IP установленный на

маршрутизаторе создает на его основе некоторое число новых пакетов (в

соответствии с длиной исходного пакета и значения MTU для сети куда

должны быть переданы данные) Для того чтобы данные могли быть

правильно собраны получателем в заголовки новых IP-пакетов помещается

специальный числовой идентификатор позволяющий однозначно

определить что эти пакеты являются фрагментами одного большого пакета

Кроме того в заголовках также указывается положения фрагментов в

исходном пакете что позволяет обеспечить правильный порядок сборки

получателем

Вспомогательные протоколы сетевого уровня стека TCPIP

Главными функциями протокола IP является обеспечение единой схемы

адресации независимой от принципов адресации определяемых сетевыми

технологиями (адресацией канального уровня) а также передача данных по

составной сети (маршрутизация и фрагментация пакетов) Однако для

организации реального взаимодействия этого оказывается недостаточно -

существует еще ряд проблем

Первая проблема состоит в следующем Для того чтобы передать данные по

сети программное обеспечение протокола IP создает пакет и передает его

средствам канального уровня При этом средствам канального уровня для

формирования кадра данных необходим адрес получателя причем не

логический IP-адрес а MAC-адрес который может быть правильно опознан

сетевым адаптером принимающего компьютера Однако спецификацией

протокола IP не предусмотрен механизм позволяющий определять

соответствие между аппаратными и IP-адресами Эту функцию выполняет

вспомогательный протокол сетевого уровня ARP (Address Resolution

Protocol) входящий в семейство протоколов TCPIP

- 42 -

Другая серьезная проблема состоит в том что если при обработке IP-пакета

на маршрутизаторе возникли какие-то проблемы например истекло время

жизни пакета то отправитель о них не узнает поскольку механизм

обратной связи также не предусмотрен спецификацией протокола IP Для

решения этой проблемы используется специальный протокол сетевого

уровня ICMP (Internet Control Message Protocol) входящий в стек протоколов

TCPIP и обеспечивающий передачу управляющей информации и

информации об ошибках

В семействе протоколов TCPIP предусмотрен также ряд других

вспомогательных протоколов например протоколы динамической

маршрутизации обеспечивающие обмен информацией между

маршрутизаторами с целью автоматизации построения таблиц

маршрутизации

Транспортный уровень

Функции транспортного уровня

Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных между

устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд)

Однако не следует забывать что на одном узле может функционировать

параллельно несколько программ которым требуется доступ к сети

Следовательно данные внутри компьютерной системы должны

распределяться между программами Поэтому при передаче данных по сети

недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо также

идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является

отсутствие средств позволяющих передавать большие массивы данных

Когда исходные данные превышают максимально допустимый размер пакета

сетевого уровня то эти данные должны быть разбиты на порции каждая из

которых передается в сеть отдельным пакетом Однако каждый пакет

сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других блок

данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и

следовательно ndash обнаружить нарушение целостности общего массива

данных Поэтому средства транспортного уровня обеспечивают отсутствие

потерь информации Такой режим передачи данных получил название

гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой

- 43 -

функциональную надстройку над сетевым уровнем и решают две основных

задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

обеспечение гарантированной доставки массивов данных

произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash

UDP обеспечивающий негарантированную доставку данных между

программами и TCP обеспечивающий гарантированную доставку с

установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной

уровень

Компоненты четырех нижних уровней модели OSI (физического канального

сетевого и транспортного) представляют собой механизм обеспечивающий

доставку данных любого типа и произвольного объема между программами

работающими на разных узлах составной сети Однако при работе в сети

пользователям требуется не просто пересылка данных а выполнение каких-

либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех

возможностей которые предоставляют средства нижних уровней

недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо

просмотреть документ расположенный не на его локальном компьютере а

на удаленной машине Решение такой задачи предполагает как минимум

прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса

содержащего имя документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного

компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной

машины изменений вносимых в этот документ другими пользователями и

уведомление об этом пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав

пользователя на работу с документом что предполагает дополнительный

- 44 -

обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних

уровней не имеют средств позволяющих реализовать специфику такого

взаимодействия Поэтому для его организации требуются дополнительные

надстройки над средствами транспортного и нижележащих уровней В

эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный уровень

уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или

сессии) при длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое

(виртуальное) соединение между двумя программами в общем случае

функционирующими на разных компьютерах В простейшем случае

установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти

необходимых для приема и передачи данных После окончания передачи

данных происходит закрытие соединения предполагающее освобождение

выделенных ресурсов Во многих случаях этого недостаточно поэтому

сессионный уровень предлагает более сложные механизмы для организации

сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая

поддержка осуществляется путем периодической отправки специальных

тестовых пакетов при получении которых участник соединения должен

ответить Возвращаясь к предложенному выше примеру следует отметить

что установление соединения при работе с удаленным документом позволяет

один раз перед началом работы проверить права доступа пользователя а

также один раз передать запрос с именем файла В случае если бы

соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог

бы уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться

дополнительное преобразование Например это необходимо в случае если

взаимодействующие программы используют различные способы кодировки

текстовой информации или если для обеспечения защиты информации

требуется осуществлять шифрование данных Обеспечение подобных

промежуточных преобразований возложено на уровень представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными

уровнями Они позволяют осуществлять работу с различными

информационными ресурсами сети например файлами или сообщениями

электронной почты Естественно что различные типы ресурсов в общем

случае требуют различных методов обработки и в том числе методов

сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI

- 45 -

является прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции

работы с конкретными информационными объектами В предложенном выше

примере (чтение удаленного документа) к функциям прикладного протокола

относятся формирование запросов на получение документа проверка прав

доступа а также определение порядка пересылки файлов и уведомлений об

изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами

определяемых протоколами прикладного уровня часть функций сессионного

уровня и уровня представления может оказаться избыточной поэтому при

программной реализации три верхних уровня обычно объединяются

Page 20: - 3 - ВВЕДЕНИЕicm.muctr.ru/study/computers/inf001.pdf · 2016-08-25 · - 7 - А) Количество информации как мера уменьшения неопределенности

- 22 -

Кабель (cable) используемый для построения компьютерных сетей представляет собой

сложную конструкцию состоящую в общем случае из проводников изолирующих и

экранирующих слоев В современных сетях используются три типа кабеля

Каждый тип кабеля отличается от других внутренним устройством и обладает целым

набором технических характеристик влияющих на основные потребительские параметры

сетей

Тип кабеля Характеристика

Максимальное

расстояние передачи

Максимальная

скорость передачи

Коаксиальный

кабель 185 ndash 500 м 10 Мбитс

Витая пара 30 ndash 100 м 10 Мбитс ndash 1

Гбитс

Оптоволоконный

кабель 2 км

10 Мбитс ndash 2

Гбитс

Топология сети - способ соединения компьютеров с помощью физической среды

Если сеть состоит всего из двух компьютеров то они соединяются напрямую Такой

способ соединения получил название точка-точка (point-to-point)

Выделяют три базовые топологии Шина (bus) Кольцо (ring) Звезда(star)

laquoШинаraquo - использует один передающий канал на базе коаксиального кабеля называемый

шиной Все сетевые компьютеры присоединяются напрямую к шине На концах кабеля-

шины устанавливаются специальные заглушки - терминаторы (terminator) Они

необходимы для того чтобы погасить сигнал после прохождения по шине К недостаткам

топологии Шина следует отнести следующее

данные предаваемые по кабелю доступны всем подключенным компьютерам

в случае повреждения шины вся сеть перестает функционировать

laquoКольцоraquo - характерно отсутствие конечных точек соединения сеть замкнута образуя

неразрывное кольцо по которому передаются данные Эта топология подразумевает

следующий механизм передачи данные передаются последовательно от одного

компьютера к другому пока не достигнут компьютера-получателя Недостатки топологии

кольцо те же то и у топологии шина

общедоступность данных

неустойчивость к повреждениям кабельной системы

В сети с топологией звезда все компьютеры соединены со специальным устройством

называемым сетевым концентратором или хабом (hub) который выполняет функции

- 23 -

распределения данных Прямые соединения двух компьютеров в сети отсутствуют

Благодаря этому имеется возможность решения проблемы общедоступности данных а

также повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы Однако

функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора

Канальный уровень - отвечает за организацию передачи данных между абонентами

через физический уровень поэтому на данном уровне предусмотрены средства адресации

позволяющие однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к общему физическому каналу В функции данного

уровня также входит упорядочивание передачи с целью обеспечения возможности

параллельного использования одного физического канала несколькими парами абонентов

Средства канального уровня обеспечивают проверку ошибок которые могут возникать

при передаче данных физическим уровнем Большинство функций канального уровня

выполняются устройствами передачи данных (например сетевым адаптером)

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена способ

представления информации а также необходимый набор правил позволяющий

упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток битов Перед

передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с принципом пакетной

коммутации разделяется на порции каждая из которых снабжается заголовком

содержащим некоторую служебную информацию те формируется пакет На канальном

уровне пакет называется кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает протокол Сложность

канальных протоколов во многом определяется сложностью топологии сети Очевидно

что организовать общение всего двух абонентов существенно проще чем упорядочивать

информационный обмен в сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких

пар абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Сетевой уровень - сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

- 24 -

адресации определенных различными технологиями Поэтому для обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого уровня модели OSI Устройства этого уровня предназначенные для объединения сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку составной сети Процесс определения пути прохождения данных через подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название маршрутизаторов

Транспортный уровень Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных

между устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд) Однако

не следует забывать что на одном узле может функционировать параллельно несколько

программ которым требуется доступ к сети Следовательно данные внутри

компьютерной системы должны распределяться между программами Поэтому при

передаче данных по сети недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо

также идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является отсутствие средств

позволяющих передавать большие массивы данных Когда исходные данные превышают

максимально допустимый размер пакета сетевого уровня то эти данные должны быть

разбиты на порции каждая из которых передается в сеть отдельным пакетом Однако

каждый пакет сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других

блок данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и следовательно ndash

обнаружить нарушение целостности общего массива данных Поэтому средства

транспортного уровня обеспечивают отсутствие потерь информации Такой режим

передачи данных получил название гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой функциональную

надстройку над сетевым уровнем и решают две основных задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

- 25 -

обеспечение гарантированной доставки массивов данных произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash UDP

обеспечивающий негарантированную доставку данных между программами и TCP

обеспечивающий гарантированную доставку с установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной уровень - Компоненты четырех

нижних уровней модели OSI (физического канального сетевого и транспортного)

представляют собой механизм обеспечивающий доставку данных любого типа и

произвольного объема между программами работающими на разных узлах составной

сети Однако при работе в сети пользователям требуется не просто пересылка данных а

выполнение каких-либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех возможностей

которые предоставляют средства нижних уровней недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо просмотреть

документ расположенный не на его локальном компьютере а на удаленной машине

Решение такой задачи предполагает как минимум прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса содержащего имя

документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной машины

изменений вносимых в этот документ другими пользователями и уведомление об этом

пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав пользователя на

работу с документом что предполагает дополнительный обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних уровней не имеют

средств позволяющих реализовать специфику такого взаимодействия Поэтому для его

организации требуются дополнительные надстройки над средствами транспортного и

нижележащих уровней В эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный

уровень уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или сессии) при

длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое (виртуальное) соединение между

двумя программами в общем случае функционирующими на разных компьютерах В

простейшем случае установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти необходимых для

приема и передачи данных После окончания передачи данных происходит закрытие

соединения предполагающее освобождение выделенных ресурсов Во многих случаях

этого недостаточно поэтому сессионный уровень предлагает более сложные механизмы

для организации сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая поддержка

осуществляется путем периодической отправки специальных тестовых пакетов при

получении которых участник соединения должен ответить Возвращаясь к

предложенному выше примеру следует отметить что установление соединения при

работе с удаленным документом позволяет один раз перед началом работы проверить

- 26 -

права доступа пользователя а также один раз передать запрос с именем файла В случае

если бы соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог бы

уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться дополнительное

преобразование Например это необходимо в случае если взаимодействующие

программы используют различные способы кодировки текстовой информации или если

для обеспечения защиты информации требуется осуществлять шифрование данных

Обеспечение подобных промежуточных преобразований возложено на уровень

представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными уровнями Они

позволяют осуществлять работу с различными информационными ресурсами сети

например файлами или сообщениями электронной почты Естественно что различные

типы ресурсов в общем случае требуют различных методов обработки и в том числе

методов сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI является

прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции работы с конкретными

информационными объектами В предложенном выше примере (чтение удаленного

документа) к функциям прикладного протокола относятся формирование запросов на

получение документа проверка прав доступа а также определение порядка пересылки

файлов и уведомлений об изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами определяемых

протоколами прикладного уровня часть функций сессионного уровня и уровня

представления может оказаться избыточной поэтому при программной реализации три

верхних уровня обычно объединяются

Модель сетевого взаимодействия

В 1984 году Международной Организацией по Стандартизации (International

Standard Organization ISO) была разработана модель взаимодействия

открытых систем (Open Systems Interconnection OSI) Модель представляет

собой международный стандарт для проектирования сетевых коммуникаций

и предполагает уровневый подход к построению сетей Каждый уровень

модели обслуживает различные этапы процесса взаимодействия

Посредством деления на уровни сетевая модель OSI упрощает совместную

работу оборудования и программного обеспечения Модель OSI разделяет

сетевые функции на семь уровней прикладной уровень представления

сессионный транспортный сетевой канальный и физический

Ниже дается краткая характеристика уровней модели

Физический уровень (Physical layer) определяет способ физического

соединения компьютеров в сети Функциями средств относящихся к

данному уровню являются побитовое преобразование цифровых

- 27 -

данных в сигналы передаваемые по физической среде (например по

кабелю) а также собственно передача сигналов

Канальный уровень(Data Link layer) отвечает за организацию передачи

данных между абонентами через физический уровень поэтому на

данном уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к обще линии связи В функции

данного уровня также входит упорядочивание передачи с целью

параллельного использования одной линии связи несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем

Сетевой уровень(Network layer) обеспечивает доставку данных между

компьютерами сети представляющей собой объединение различных

физических сетей Данный уровень предполагает наличие средств

логической адресации позволяющих однозначно идентифицировать

компьютер в объединенной сети Одной из главных функций

выполняемых средствами данного уровня является целенаправленная

передача данных конкретному получателю

Транспортный уровень(Transport layer) реализует передачу данных

между двумя программами функционирующими на разных

компьютерах обеспечивая при этом отсутствие потерь и дублирования

информации которые могут возникать в результате ошибок передачи

нижних уровней В случае если данные передаваемые через

транспортный уровень подвергаются фрагментации то средства

данного уровня гарантируют сборку фрагментов в правильном

порядке

Сессионный (или сеансовый) уровень (Session layer) позволяет двум

программам поддерживать продолжительное взаимодействие по сети

называемое сессией (session) или сеансом Этот уровень управляет

установлением сеанса обменом информацией и завершением сеанса

Он также отвечает за идентификацию позволяя тем самым только

определенным абонентам принимать участие в сеансе и обеспечивает

работу служб безопасности с целью упорядочивания доступа к

информации сессии

Уровень представления(Presentation layer) осуществляет

промежуточное преобразование данных исходящего сообщения в

общий формат который предусмотрен средствами нижних уровней а

также обратное преобразование входящих данных из общего формата в

формат понятный получающей программе

Прикладной уровень (Application layer) предоставляет

высокоуровневые функции сетевого взаимодействия такие как

передача файлов отправка сообщений по электронной почте и тп

Основные принципы уровневого взаимодействия

- 28 -

При уровневой организации процесса взаимодействия должны соблюдаться

следующие требования

компоненты одного уровня одной системы могут взаимодействовать с

компонентами только того же уровня другой системы

в рамках одной системы компоненты какого-либо уровня могут

взаимодействовать только с компонентами смежных (вышележащего и

нижележащего) уровней

Порядок уровневого взаимодействия

Набор правил определяющих порядок взаимодействия средств относящихся

к одному и тому же уровню и функционирующих в разных системах

называется протоколом (protocol) Правила взаимодействия между собой

средств относящихся к смежным уровням и функционирующих в одной

системе называются интерфейсом (interface)

Практическая реализация уровневого взаимодействия

На практике протоколы и интерфейсы регламентируют технические

требования предъявляемые к программным и аппаратным средствам

Программные (аппаратные) модули предназначенные для обеспечения

практического взаимодействия определяемого тем или иным протоколом

(или интерфейсом) обычно называют реализацией протокола (или

интерфейса)

Хотя различные компоненты относящиеся к различным уровням сетевой

модели формально должны быть функционально независимыми друг от

друга при практической разработке протоколов такая независимость не

всегда выдерживается Это объясняется тем что попытка добиться точного

соответствия эталонной модели может привести к неэффективности работы

программно-аппаратного обеспечения реализующего протокол В настоящее

время наблюдается два типа отклонений возникающих при реализации

уровневого взаимодействия

- 29 -

функции некоторых уровней могут объединяться одним протоколом и

наоборот ndash функции одного уровня могут делиться между различными

протоколами

функционирование протокола какого-либо уровня подразумевают

использование только определенных протоколов нижележащего

уровня

Поэтому разработка практических методов сетевого взаимодействия как

правило подразумевает разработку не отдельных протоколов а целых

наборов протоколов Такие наборы обычно включают в себя протоколы

относящиеся к нескольким смежным уровням эталонной модели OSI и

называются стеками (или семействами наборами) протоколов (protocol stack

protocol suite) Наиболее известным стеком протоколов обеспечивающим

взаимодействие в сети Интернет является стек протоколов TCPIP

Физический уровень

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Среда передачи

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Физический уровень определяет способ физического соединения

компьютеров в сети Основными функциями средств относящихся к

данному уровню является побитовое преобразование цифровых данных в

сигналы среды передачи а также собственно передача сигналов по

физической среде

Кабельные системы

- 30 -

Кабель (cable) используемый для построения компьютерных сетей

представляет собой сложную конструкцию состоящую в общем случае из

проводников изолирующих и экранирующих слоев В современных сетях

используются три типа кабеля

Еще одним важным понятием физического уровня является способ

соединения компьютеров с помощью физической среды или топология сети

Если сеть состоит всего из двух компьютеров то они соединяются

напрямую Такой способ соединения получил название точка-точка

(point-to-point)

Соединение типа точка-точка

Для обеспечения связи более чем двух компьютеров может использоваться

последовательность соединений типа точка-точка

Последовательность соединений типа точка-точка

Однако такой подход требует установки на большую часть компьютеров

нескольких устройств передачи данных

В качестве альтернативного подхода возможно использование более

сложных топологий позволяющих подключить к общей среде сразу

несколько компьютеров имеющих по одному устройству передачи данных

- 31 -

Выделяют три базовые топологии Шина (bus) Кольцо (ring)

Звезда(star)

Топология laquoШинаraquo

Топология Шина

Эта топология использует один передающий канал на базе коаксиального

кабеля называемый шиной Все сетевые компьютеры присоединяются

напрямую к шине На концах кабеля-шины устанавливаются специальные

заглушки - терминаторы (terminator) Они необходимы для того чтобы

погасить сигнал после прохождения по шине К недостаткам топологии

Шина следует отнести следующее

данные предаваемые по кабелю доступны всем подключенным

компьютерам

в случае повреждения шины вся сеть перестает функционировать

Топология laquoКольцоraquo

Топология Кольцо

Для топологии кольцо характерно отсутствие конечных точек соединения

сеть замкнута образуя неразрывное кольцо по которому передаются данные

Эта топология подразумевает следующий механизм передачи данные

передаются последовательно от одного компьютера к другому пока не

- 32 -

достигнут компьютера-получателя Недостатки топологии кольцо те же то

и у топологии шина

общедоступность данных

неустойчивость к повреждениям кабельной системы

Топология laquoЗвездаraquo

Топология Звезда

В сети с топологией звезда все компьютеры соединены со специальным

устройством называемым сетевым концентратором или хабом (hub)

который выполняет функции распределения данных Прямые соединения

двух компьютеров в сети отсутствуют Благодаря этому имеется

возможность решения проблемы общедоступности данных а также

повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы Однако

функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора

Физическая и логическая топологии

Следует отметить что термин топология может употребляться для

обозначения двух понятий ndash физической топологии и логической топологии

Физическая топология ndash способ физического соединения компьютеров с

помощью среды передачи например участками кабеля Логическая

топология определяет маршруты передачи данных в сети Во многих

случаях физическая топология однозначно определяет логическую

топологию Однако существуют такие конфигурации в которых логическая

топология отличается от физической Например сеть с физической

- 33 -

топологией laquoзвездаraquo может иметь логическую топологию laquoшинаraquo ndash все

зависит от того каким образом устроен сетевой концентратор

Кодированиедекодирование данных Как известно данные обрабатываемые

компьютером представляются в двоичном виде - как последовательность

нулей и единиц Однако понятия нуль и единица являются логическими

понятиями обозначающими электрические сигналы отличающиеся друг от

друга физическими параметрами и использующиеся для представления

информации в различных устройствах например оперативной памяти или

центральном процессоре В силу различных технических причин эти сигналы

не всегда могут передаваться по физическим каналам связи Поэтому они

должны быть преобразованы Процесс преобразования сигналов удобных

для компьютера в сигналы которые могут быть переданы по сети

называется физическим кодированием а обратное преобразование -

декодированием

Передача сигналов Информационные сигналы передаются по физическим

линиям связи последовательно В случае если между передающей и

принимающей сторонами параллельно существуют более одной линии

например проложено несколько кабелей то оказывается возможным

одновременно (параллельно) передавать несколько сигналов Если эти

сигналы представляют различные биты передаваемых данных то

повышается скорость информационного обмена Если же сигналы

представляют один и тот же бит данных - то повышается надежность

взаимодействия

Канальный уровень

Канальный уровень отвечает за организацию передачи данных

между абонентами через физический уровень поэтому на данном

уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к общему физическому

каналу В функции данного уровня также входит упорядочивание

передачи с целью обеспечения возможности параллельного

использования одного физического канала несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем Большинство функций канального уровня

выполняются устройствами передачи данных (например сетевым

- 34 -

адаптером)

Метод коммутации

дной из центральных проблем организации передачи данных по физическим

каналам является проблема параллельного использования одного и того же

канала несколькими парами абонентов Методы лежащие в основе ее

решения получили название методов коммутации

В настоящее время существует два основных метода коммутации

коммутация каналов и коммутация пакетов

Коммутация каналов предполагает что перед началом передачи данных

должна быть выполнена процедура установления соединения в результате

которой образуется составной канал По окончании сеанса связи соединение

разрывается и канал освобождается Классическим примером реализации

коммутации каналов является телефонная связь которая подразумевает что

абонент перед началом разговора набирает номер второго абонента в

результате чего последовательное переключение промежуточных

коммутаторов позволяет образовать непрерывный канал связи между

абонентами Коммутация каналов удобна для организации линий связи в

которых подразумевается передача потоков данных постоянной

интенсивности например таких как телефонный разговор в силу чего этот

метод оказывается недостаточно гибким при построении компьютерных

сетей

Метод коммутации пакетов основан на разбиении передаваемых по сети

данных на небольшие порции Каждая такая порция передается по сети

как единое целое и называется пакетом Такой метод является очень

удобным для параллельного использования физического канала несколькими

парами абонентов канал является занятым только во время прохождения

пакета Временные промежутки между передачей пакетов одним абонентам

могут быть использованы другими для отправки собственных пакетов

Пакет обычно состоит из двух частей ndash заголовка содержащего служебные

данные необходимые для управления доставкой пакета и собственно

данных подлежащих передаче Порядок обмена пакетами а также

конкретный состав заголовка пакетов определяется сетевым протоколом

Для именования пакетов различных уровней модели OSI используются

специальные термины Для канального уровня используется термин кадр

для сетевого ndash пакет для транспортного ndash сегмент дейтаграмма для

сессионного и более высоких уровней ndash сообщение

- 35 -

Протоколы канального уровня

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена

способ представления информации а также необходимый набор правил

позволяющий упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток

битов Перед передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с

принципом пакетной коммутации разделяется на порции каждая из

которых снабжается заголовком содержащим некоторую служебную

информацию те формируется пакет На канальном уровне пакет называется

кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает

протокол Сложность канальных протоколов во многом определяется

сложностью топологии сети Очевидно что организовать общение всего двух

абонентов существенно проще чем упорядочивать информационный обмен в

сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких пар

абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Структура кадра данных

Состав заголовка кадра зависит от многих факторов определяемых набором

функций которые выполняет протокол Тем не менее можно выделить ряд

информационных полей которые обычно присутствуют в заголовке кадра К

таким полям относятся

1 Специальные поля предназначенные для определения границ кадров

Поскольку в физической среде могут постоянно проходить какие-либо

сигналы то сетевые адаптеры должны уметь разбираться в том когда

начинается передача кадра и когда она заканчивается

2 Поле предназначенное для определения протокола сетевого уровня

которому необходимо передать данные Так как на одном компьютере могут

функционировать программные модули различных протоколов сетевого

уровня то протоколы канального уровня должны уметь распределять данные

по этим протоколам

3 Контрольная сумма (или специальный код) содержимого кадра которая

позволяет принимающей стороне определить наличие ошибок в принятых

данных Принцип ее использования состоит в следующем Сетевой адаптер

отправляющего компьютера после формирования кадра вычисляет значение

- 36 -

его контрольной суммы на основе содержимого и помещает это значение в

заголовок кадра Принимающая сторона также вычисляет контрольную

сумму полученного кадра и сравнивает его со значением помещенным в

заголовке Если они не совпадают то это означает что во время передачи

кадра произошла ошибка

4 Поля предназначенные для адресации абонентов в сложных сетях

(определены для протоколов применяемых в сетях базирующихся на

сложных топологиях)

Обобщенная структура кадра данных

Протоколы для сетей сложных топологий

Протоколы канального уровня этой группы являются более сложными чем

протоколы использующиеся в сетях типа точка-точка так как вынуждены

выполнять ряд дополнительных функций Основными функциями являются

Выделение на всем множестве компьютеров подключенных к сети

конкретного абонента с которым осуществляется информационный обмен

то есть адресация

Адресация абонентов

Упорядочивание доступа к среде передачи в случае когда нескольким парам

абонентов требуется осуществить передачу данных

Для обеспечения адресации абонентов в заголовке кадров должны

присутствовать следующие поля

- 37 -

1 Адрес отправителя ndash некоторое число (или набор чисел) позволяющее

идентифицировать сетевой адаптер (а следовательно и компьютер в

котором она установлена) который осуществил передачу кадра данных в

сеть Адреса присваиваются сетевым адаптерам на заводе-изготовителе и

как правило не изменяются в дальнейшем хотя большинство современных

адаптеров позволяют перепрограммировать сетевой адрес

Протоколы канального уровня и сетевые технологии

Функциональный состав того или иного протокола канального уровня во

многом определяется особенностями физического уровня например

топологией сети или типом среды передачи Поэтому при проектировании

сетевого взаимодействия используются и разрабатываются комплексные

стандарты получившие название сетевых технологий

Сетевая технология ndash это набор стандартов определяющий минимальный

состав программно-аппаратных средств достаточный для организации

взаимодействия компьютеров в сети Как правило сетевая технология

определяет топологию сети а также протокол канального уровня (формат

кадра порядок обмена кадрами MTU)

В настоящее время существует большое количество сетевых технологий и

соответственно определяемых ими протоколов канального уровня

Рассмотрим для примера одну из наиболее популярных в настоящее время

технологий ndash технологию локальных сетей Ethernet Эта технология

предполагает что сеть должна строиться на основе физических топологий

шина если используется коаксиальный кабель или звезда если

используется кабель типа витая пара В зависимости от типа используемого

кабеля скорость передачи данных лежит в диапазоне 10-100 Мбитс В

качестве метода доступа к среде передачи используется метод обнаружения

коллизий (CSMACD) Что касается формата кадра то в настоящее время на

практике используются 4 варианта кадров Ethernet отличающихся друг от

друга но все они согласуются с общими положениями изложенными ранее

Максимальный объем данных передаваемых в одном кадре (MTU) в

технологии Ethernet не может превышать 1500 байт

Помимо технологии Ethernet в настоящее время в локальных сетях широко

используются технологии AppleTalk FDDI и ATM В глобальных сетях

широко распространены технологии ATM FrameRelay ISDN и SMDS

Существует также ряд технологий использующихся для организации

беспроводных сетей Наиболее популярной технологией применяемой при

- 38 -

построении локальных сетей в настоящее время является технология

RadioEthernet Она предполагает передачу данных в двух УКВ-диапазонах

около 915 МГЦ и 2400-24835 МГц а также в инфракрасном спектре

Диапазон 915 МГц в России и Европе достаточно сильно загружен

средствами связи (сотовая телефония) поэтому он используется как

правило для организации сетей внутри зданий хотя технически позволяет

осуществлять передачу на значительные расстояния Это же ограничение

распространяется и на инфракрасный диапазон поскольку инфракрасные

лучи чувствительны к погодным условиям В зависимости от того какой

режим передачи используется сети RadioEthernet позволяют осуществлять

передачу данных со скоростью 2 - 10 Мбитс Технология RadioEthernet

предполагает построение сетей на базе топологий точка-точка и звезда В

качестве метода доступа используется метод предупреждения коллизий

(CSMACA)

Наряду с кабельными и беспроводными технологиями существуют также

технологии предполагающие комбинирование различных типов физической

среды передачи Обычно они применяются для построения асимметричных

сетей небольшие по объему запросы пользовательских компьютеров

передаются по кабельным каналам например с использованием телефонных

линий и модемов а прием осуществляется через спутниковый радиоканал

Объединение сетей на канальном уровне

Сложные сети в общем случае представляют собой совокупность

нескольких сетей Такие сети называются объединенными сетями

(internetwork)

Необходимость объединения сетей может быть вызвана разными причинами

Прежде всего это - преодоление технических ограничений среды передачи

например максимального расстояния передачи данных Кроме того

построение сети как объединенной позволяет повысить надежность (выход

из строя одной физической среды не влияет на работу остальных) и

обеспечить определенный уровень конфиденциальности (данные

передаваемые между компьютерами одной физической среды оказываются

недоступными компьютерам других сетей)

Для построения объединенных сетей требуются специальные устройства

которые позволяют подключать к себе две (или более) сети Наиболее

простым устройством такого вида является мост (bridge)

Мост

- 39 -

Принцип функционирования моста достаточно прост для подключения сетей

мост располагает несколькими портами с каждым из которых связываются

записи так называемой адресной таблицы содержащей список адресов

компьютеров сетей подключенных к мосту Когда мост получает кадр

данных то он передает его в сеть через порт который согласно таблице

соответствует адресу получателя В случае если адрес получателя не

обнаружен в адресной таблице то кадр передается во все сети Адресные

таблицы мостов как правило строятся на основе анализа кадров

передаваемых по сетям

Функции сетевого уровня

Сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе

различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне

достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети

но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети

с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это

объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

адресации определенных различными технологиями Поэтому для

обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства

представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую

абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых

технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого

уровня модели OSI

Очевидно что устройства этого уровня предназначенные для объединения

сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального

уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную

передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть

определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку

составной сети Процесс определения пути прохождения данных через

подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства

объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название

маршрутизаторов

- 40 -

Протокол IP

Протокол IP (Internet Protocol) входит в состав стека протоколов TCPIP и

является основным протоколом сетевого уровня использующимся в

Интернет и обеспечивающим единую схему логической адресации устройств

в сети и маршрутизацию данных

Для выполнения своих функций протокол определяет свой собственный

формат пакета Основными информационными полями заголовка пакета

являются

IP-адреса отправителя и получателя ndash предназначены для

идентификации отправителя и получателя (см IP-адресация)

Время жизни пакета (Time To Live TTL) - определяет время которое

IP-пакет может находиться в сети и предназначено для

предотвращения захламления сети заблудившимися пакетами

поля предназначенные для фрагментации пакетов (см IP-

фрагментация)

поля предназначенные для управления обработкой пакета (длина

пакета и заголовка контрольная сумма заголовка тип обслуживания и

тд)

Существует 5 классов IP-адресов ndash A B C D E Принадлежность IP-

адреса к тому или иному классу определяется значением первого

октета (W) Ниже показано соответствие значений первого октета и

классов адресов

Класс IP-адреса A B C D E

Диапазон первого

октета

1-

126

128-

191

192-

223

224-

239

240-

247

IP-адреса первых трех классов предназначены для адресации

отдельных узлов и отдельных сетей Такие адреса состоят из двух

частей ndash номера сети и номера узла Такая схема аналогична схеме

почтовых индексов ndash первые три цифры кодируют регион а остальные

ndash почтовое отделение внутри региона

Преимущества двухуровневой схемы очевидны она позволяет во-

первых адресовать целиком отдельные сети внутри составной сети

что необходимо для обеспечения маршрутизации а во-вторых ndash

присваивать узлам номера внутри одной сети независимо от других

сетей Естественно что компьютеры входящие в одну и ту же сеть

должны иметь IP-адреса с одинаковым номером сети

- 41 -

IP-Маршрутизация ndash процесс выбора пути для передачи пакета в сети Под

путем (маршрутом) понимается последовательность маршрутизаторов через

которые проходит пакет по пути к узлу-назначению IP-маршрутизатор ndash это

специальное устройство предназначенное для объединения сетей и

обеспечивающее определение пути прохождения пакетов в составной сети

Маршрутизатор должен иметь несколько IP-адресов с номерами сетей

соответствующими номерам объединяемых сетей

Как известно для разных сетевых технологий значение MTU определенное

для кадров данных может отличаться Поэтому при преобразовании кадров

на маршрутизаторе может потребоваться разделение вложенных в них IP-

пакетов на более мелкие пакеты

Для разделения пакетов на фрагменты модуль IP установленный на

маршрутизаторе создает на его основе некоторое число новых пакетов (в

соответствии с длиной исходного пакета и значения MTU для сети куда

должны быть переданы данные) Для того чтобы данные могли быть

правильно собраны получателем в заголовки новых IP-пакетов помещается

специальный числовой идентификатор позволяющий однозначно

определить что эти пакеты являются фрагментами одного большого пакета

Кроме того в заголовках также указывается положения фрагментов в

исходном пакете что позволяет обеспечить правильный порядок сборки

получателем

Вспомогательные протоколы сетевого уровня стека TCPIP

Главными функциями протокола IP является обеспечение единой схемы

адресации независимой от принципов адресации определяемых сетевыми

технологиями (адресацией канального уровня) а также передача данных по

составной сети (маршрутизация и фрагментация пакетов) Однако для

организации реального взаимодействия этого оказывается недостаточно -

существует еще ряд проблем

Первая проблема состоит в следующем Для того чтобы передать данные по

сети программное обеспечение протокола IP создает пакет и передает его

средствам канального уровня При этом средствам канального уровня для

формирования кадра данных необходим адрес получателя причем не

логический IP-адрес а MAC-адрес который может быть правильно опознан

сетевым адаптером принимающего компьютера Однако спецификацией

протокола IP не предусмотрен механизм позволяющий определять

соответствие между аппаратными и IP-адресами Эту функцию выполняет

вспомогательный протокол сетевого уровня ARP (Address Resolution

Protocol) входящий в семейство протоколов TCPIP

- 42 -

Другая серьезная проблема состоит в том что если при обработке IP-пакета

на маршрутизаторе возникли какие-то проблемы например истекло время

жизни пакета то отправитель о них не узнает поскольку механизм

обратной связи также не предусмотрен спецификацией протокола IP Для

решения этой проблемы используется специальный протокол сетевого

уровня ICMP (Internet Control Message Protocol) входящий в стек протоколов

TCPIP и обеспечивающий передачу управляющей информации и

информации об ошибках

В семействе протоколов TCPIP предусмотрен также ряд других

вспомогательных протоколов например протоколы динамической

маршрутизации обеспечивающие обмен информацией между

маршрутизаторами с целью автоматизации построения таблиц

маршрутизации

Транспортный уровень

Функции транспортного уровня

Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных между

устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд)

Однако не следует забывать что на одном узле может функционировать

параллельно несколько программ которым требуется доступ к сети

Следовательно данные внутри компьютерной системы должны

распределяться между программами Поэтому при передаче данных по сети

недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо также

идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является

отсутствие средств позволяющих передавать большие массивы данных

Когда исходные данные превышают максимально допустимый размер пакета

сетевого уровня то эти данные должны быть разбиты на порции каждая из

которых передается в сеть отдельным пакетом Однако каждый пакет

сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других блок

данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и

следовательно ndash обнаружить нарушение целостности общего массива

данных Поэтому средства транспортного уровня обеспечивают отсутствие

потерь информации Такой режим передачи данных получил название

гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой

- 43 -

функциональную надстройку над сетевым уровнем и решают две основных

задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

обеспечение гарантированной доставки массивов данных

произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash

UDP обеспечивающий негарантированную доставку данных между

программами и TCP обеспечивающий гарантированную доставку с

установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной

уровень

Компоненты четырех нижних уровней модели OSI (физического канального

сетевого и транспортного) представляют собой механизм обеспечивающий

доставку данных любого типа и произвольного объема между программами

работающими на разных узлах составной сети Однако при работе в сети

пользователям требуется не просто пересылка данных а выполнение каких-

либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех

возможностей которые предоставляют средства нижних уровней

недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо

просмотреть документ расположенный не на его локальном компьютере а

на удаленной машине Решение такой задачи предполагает как минимум

прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса

содержащего имя документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного

компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной

машины изменений вносимых в этот документ другими пользователями и

уведомление об этом пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав

пользователя на работу с документом что предполагает дополнительный

- 44 -

обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних

уровней не имеют средств позволяющих реализовать специфику такого

взаимодействия Поэтому для его организации требуются дополнительные

надстройки над средствами транспортного и нижележащих уровней В

эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный уровень

уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или

сессии) при длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое

(виртуальное) соединение между двумя программами в общем случае

функционирующими на разных компьютерах В простейшем случае

установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти

необходимых для приема и передачи данных После окончания передачи

данных происходит закрытие соединения предполагающее освобождение

выделенных ресурсов Во многих случаях этого недостаточно поэтому

сессионный уровень предлагает более сложные механизмы для организации

сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая

поддержка осуществляется путем периодической отправки специальных

тестовых пакетов при получении которых участник соединения должен

ответить Возвращаясь к предложенному выше примеру следует отметить

что установление соединения при работе с удаленным документом позволяет

один раз перед началом работы проверить права доступа пользователя а

также один раз передать запрос с именем файла В случае если бы

соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог

бы уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться

дополнительное преобразование Например это необходимо в случае если

взаимодействующие программы используют различные способы кодировки

текстовой информации или если для обеспечения защиты информации

требуется осуществлять шифрование данных Обеспечение подобных

промежуточных преобразований возложено на уровень представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными

уровнями Они позволяют осуществлять работу с различными

информационными ресурсами сети например файлами или сообщениями

электронной почты Естественно что различные типы ресурсов в общем

случае требуют различных методов обработки и в том числе методов

сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI

- 45 -

является прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции

работы с конкретными информационными объектами В предложенном выше

примере (чтение удаленного документа) к функциям прикладного протокола

относятся формирование запросов на получение документа проверка прав

доступа а также определение порядка пересылки файлов и уведомлений об

изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами

определяемых протоколами прикладного уровня часть функций сессионного

уровня и уровня представления может оказаться избыточной поэтому при

программной реализации три верхних уровня обычно объединяются

Page 21: - 3 - ВВЕДЕНИЕicm.muctr.ru/study/computers/inf001.pdf · 2016-08-25 · - 7 - А) Количество информации как мера уменьшения неопределенности

- 23 -

распределения данных Прямые соединения двух компьютеров в сети отсутствуют

Благодаря этому имеется возможность решения проблемы общедоступности данных а

также повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы Однако

функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора

Канальный уровень - отвечает за организацию передачи данных между абонентами

через физический уровень поэтому на данном уровне предусмотрены средства адресации

позволяющие однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к общему физическому каналу В функции данного

уровня также входит упорядочивание передачи с целью обеспечения возможности

параллельного использования одного физического канала несколькими парами абонентов

Средства канального уровня обеспечивают проверку ошибок которые могут возникать

при передаче данных физическим уровнем Большинство функций канального уровня

выполняются устройствами передачи данных (например сетевым адаптером)

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена способ

представления информации а также необходимый набор правил позволяющий

упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток битов Перед

передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с принципом пакетной

коммутации разделяется на порции каждая из которых снабжается заголовком

содержащим некоторую служебную информацию те формируется пакет На канальном

уровне пакет называется кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает протокол Сложность

канальных протоколов во многом определяется сложностью топологии сети Очевидно

что организовать общение всего двух абонентов существенно проще чем упорядочивать

информационный обмен в сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких

пар абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Сетевой уровень - сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

- 24 -

адресации определенных различными технологиями Поэтому для обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого уровня модели OSI Устройства этого уровня предназначенные для объединения сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку составной сети Процесс определения пути прохождения данных через подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название маршрутизаторов

Транспортный уровень Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных

между устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд) Однако

не следует забывать что на одном узле может функционировать параллельно несколько

программ которым требуется доступ к сети Следовательно данные внутри

компьютерной системы должны распределяться между программами Поэтому при

передаче данных по сети недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо

также идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является отсутствие средств

позволяющих передавать большие массивы данных Когда исходные данные превышают

максимально допустимый размер пакета сетевого уровня то эти данные должны быть

разбиты на порции каждая из которых передается в сеть отдельным пакетом Однако

каждый пакет сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других

блок данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и следовательно ndash

обнаружить нарушение целостности общего массива данных Поэтому средства

транспортного уровня обеспечивают отсутствие потерь информации Такой режим

передачи данных получил название гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой функциональную

надстройку над сетевым уровнем и решают две основных задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

- 25 -

обеспечение гарантированной доставки массивов данных произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash UDP

обеспечивающий негарантированную доставку данных между программами и TCP

обеспечивающий гарантированную доставку с установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной уровень - Компоненты четырех

нижних уровней модели OSI (физического канального сетевого и транспортного)

представляют собой механизм обеспечивающий доставку данных любого типа и

произвольного объема между программами работающими на разных узлах составной

сети Однако при работе в сети пользователям требуется не просто пересылка данных а

выполнение каких-либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех возможностей

которые предоставляют средства нижних уровней недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо просмотреть

документ расположенный не на его локальном компьютере а на удаленной машине

Решение такой задачи предполагает как минимум прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса содержащего имя

документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной машины

изменений вносимых в этот документ другими пользователями и уведомление об этом

пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав пользователя на

работу с документом что предполагает дополнительный обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних уровней не имеют

средств позволяющих реализовать специфику такого взаимодействия Поэтому для его

организации требуются дополнительные надстройки над средствами транспортного и

нижележащих уровней В эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный

уровень уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или сессии) при

длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое (виртуальное) соединение между

двумя программами в общем случае функционирующими на разных компьютерах В

простейшем случае установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти необходимых для

приема и передачи данных После окончания передачи данных происходит закрытие

соединения предполагающее освобождение выделенных ресурсов Во многих случаях

этого недостаточно поэтому сессионный уровень предлагает более сложные механизмы

для организации сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая поддержка

осуществляется путем периодической отправки специальных тестовых пакетов при

получении которых участник соединения должен ответить Возвращаясь к

предложенному выше примеру следует отметить что установление соединения при

работе с удаленным документом позволяет один раз перед началом работы проверить

- 26 -

права доступа пользователя а также один раз передать запрос с именем файла В случае

если бы соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог бы

уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться дополнительное

преобразование Например это необходимо в случае если взаимодействующие

программы используют различные способы кодировки текстовой информации или если

для обеспечения защиты информации требуется осуществлять шифрование данных

Обеспечение подобных промежуточных преобразований возложено на уровень

представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными уровнями Они

позволяют осуществлять работу с различными информационными ресурсами сети

например файлами или сообщениями электронной почты Естественно что различные

типы ресурсов в общем случае требуют различных методов обработки и в том числе

методов сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI является

прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции работы с конкретными

информационными объектами В предложенном выше примере (чтение удаленного

документа) к функциям прикладного протокола относятся формирование запросов на

получение документа проверка прав доступа а также определение порядка пересылки

файлов и уведомлений об изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами определяемых

протоколами прикладного уровня часть функций сессионного уровня и уровня

представления может оказаться избыточной поэтому при программной реализации три

верхних уровня обычно объединяются

Модель сетевого взаимодействия

В 1984 году Международной Организацией по Стандартизации (International

Standard Organization ISO) была разработана модель взаимодействия

открытых систем (Open Systems Interconnection OSI) Модель представляет

собой международный стандарт для проектирования сетевых коммуникаций

и предполагает уровневый подход к построению сетей Каждый уровень

модели обслуживает различные этапы процесса взаимодействия

Посредством деления на уровни сетевая модель OSI упрощает совместную

работу оборудования и программного обеспечения Модель OSI разделяет

сетевые функции на семь уровней прикладной уровень представления

сессионный транспортный сетевой канальный и физический

Ниже дается краткая характеристика уровней модели

Физический уровень (Physical layer) определяет способ физического

соединения компьютеров в сети Функциями средств относящихся к

данному уровню являются побитовое преобразование цифровых

- 27 -

данных в сигналы передаваемые по физической среде (например по

кабелю) а также собственно передача сигналов

Канальный уровень(Data Link layer) отвечает за организацию передачи

данных между абонентами через физический уровень поэтому на

данном уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к обще линии связи В функции

данного уровня также входит упорядочивание передачи с целью

параллельного использования одной линии связи несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем

Сетевой уровень(Network layer) обеспечивает доставку данных между

компьютерами сети представляющей собой объединение различных

физических сетей Данный уровень предполагает наличие средств

логической адресации позволяющих однозначно идентифицировать

компьютер в объединенной сети Одной из главных функций

выполняемых средствами данного уровня является целенаправленная

передача данных конкретному получателю

Транспортный уровень(Transport layer) реализует передачу данных

между двумя программами функционирующими на разных

компьютерах обеспечивая при этом отсутствие потерь и дублирования

информации которые могут возникать в результате ошибок передачи

нижних уровней В случае если данные передаваемые через

транспортный уровень подвергаются фрагментации то средства

данного уровня гарантируют сборку фрагментов в правильном

порядке

Сессионный (или сеансовый) уровень (Session layer) позволяет двум

программам поддерживать продолжительное взаимодействие по сети

называемое сессией (session) или сеансом Этот уровень управляет

установлением сеанса обменом информацией и завершением сеанса

Он также отвечает за идентификацию позволяя тем самым только

определенным абонентам принимать участие в сеансе и обеспечивает

работу служб безопасности с целью упорядочивания доступа к

информации сессии

Уровень представления(Presentation layer) осуществляет

промежуточное преобразование данных исходящего сообщения в

общий формат который предусмотрен средствами нижних уровней а

также обратное преобразование входящих данных из общего формата в

формат понятный получающей программе

Прикладной уровень (Application layer) предоставляет

высокоуровневые функции сетевого взаимодействия такие как

передача файлов отправка сообщений по электронной почте и тп

Основные принципы уровневого взаимодействия

- 28 -

При уровневой организации процесса взаимодействия должны соблюдаться

следующие требования

компоненты одного уровня одной системы могут взаимодействовать с

компонентами только того же уровня другой системы

в рамках одной системы компоненты какого-либо уровня могут

взаимодействовать только с компонентами смежных (вышележащего и

нижележащего) уровней

Порядок уровневого взаимодействия

Набор правил определяющих порядок взаимодействия средств относящихся

к одному и тому же уровню и функционирующих в разных системах

называется протоколом (protocol) Правила взаимодействия между собой

средств относящихся к смежным уровням и функционирующих в одной

системе называются интерфейсом (interface)

Практическая реализация уровневого взаимодействия

На практике протоколы и интерфейсы регламентируют технические

требования предъявляемые к программным и аппаратным средствам

Программные (аппаратные) модули предназначенные для обеспечения

практического взаимодействия определяемого тем или иным протоколом

(или интерфейсом) обычно называют реализацией протокола (или

интерфейса)

Хотя различные компоненты относящиеся к различным уровням сетевой

модели формально должны быть функционально независимыми друг от

друга при практической разработке протоколов такая независимость не

всегда выдерживается Это объясняется тем что попытка добиться точного

соответствия эталонной модели может привести к неэффективности работы

программно-аппаратного обеспечения реализующего протокол В настоящее

время наблюдается два типа отклонений возникающих при реализации

уровневого взаимодействия

- 29 -

функции некоторых уровней могут объединяться одним протоколом и

наоборот ndash функции одного уровня могут делиться между различными

протоколами

функционирование протокола какого-либо уровня подразумевают

использование только определенных протоколов нижележащего

уровня

Поэтому разработка практических методов сетевого взаимодействия как

правило подразумевает разработку не отдельных протоколов а целых

наборов протоколов Такие наборы обычно включают в себя протоколы

относящиеся к нескольким смежным уровням эталонной модели OSI и

называются стеками (или семействами наборами) протоколов (protocol stack

protocol suite) Наиболее известным стеком протоколов обеспечивающим

взаимодействие в сети Интернет является стек протоколов TCPIP

Физический уровень

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Среда передачи

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Физический уровень определяет способ физического соединения

компьютеров в сети Основными функциями средств относящихся к

данному уровню является побитовое преобразование цифровых данных в

сигналы среды передачи а также собственно передача сигналов по

физической среде

Кабельные системы

- 30 -

Кабель (cable) используемый для построения компьютерных сетей

представляет собой сложную конструкцию состоящую в общем случае из

проводников изолирующих и экранирующих слоев В современных сетях

используются три типа кабеля

Еще одним важным понятием физического уровня является способ

соединения компьютеров с помощью физической среды или топология сети

Если сеть состоит всего из двух компьютеров то они соединяются

напрямую Такой способ соединения получил название точка-точка

(point-to-point)

Соединение типа точка-точка

Для обеспечения связи более чем двух компьютеров может использоваться

последовательность соединений типа точка-точка

Последовательность соединений типа точка-точка

Однако такой подход требует установки на большую часть компьютеров

нескольких устройств передачи данных

В качестве альтернативного подхода возможно использование более

сложных топологий позволяющих подключить к общей среде сразу

несколько компьютеров имеющих по одному устройству передачи данных

- 31 -

Выделяют три базовые топологии Шина (bus) Кольцо (ring)

Звезда(star)

Топология laquoШинаraquo

Топология Шина

Эта топология использует один передающий канал на базе коаксиального

кабеля называемый шиной Все сетевые компьютеры присоединяются

напрямую к шине На концах кабеля-шины устанавливаются специальные

заглушки - терминаторы (terminator) Они необходимы для того чтобы

погасить сигнал после прохождения по шине К недостаткам топологии

Шина следует отнести следующее

данные предаваемые по кабелю доступны всем подключенным

компьютерам

в случае повреждения шины вся сеть перестает функционировать

Топология laquoКольцоraquo

Топология Кольцо

Для топологии кольцо характерно отсутствие конечных точек соединения

сеть замкнута образуя неразрывное кольцо по которому передаются данные

Эта топология подразумевает следующий механизм передачи данные

передаются последовательно от одного компьютера к другому пока не

- 32 -

достигнут компьютера-получателя Недостатки топологии кольцо те же то

и у топологии шина

общедоступность данных

неустойчивость к повреждениям кабельной системы

Топология laquoЗвездаraquo

Топология Звезда

В сети с топологией звезда все компьютеры соединены со специальным

устройством называемым сетевым концентратором или хабом (hub)

который выполняет функции распределения данных Прямые соединения

двух компьютеров в сети отсутствуют Благодаря этому имеется

возможность решения проблемы общедоступности данных а также

повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы Однако

функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора

Физическая и логическая топологии

Следует отметить что термин топология может употребляться для

обозначения двух понятий ndash физической топологии и логической топологии

Физическая топология ndash способ физического соединения компьютеров с

помощью среды передачи например участками кабеля Логическая

топология определяет маршруты передачи данных в сети Во многих

случаях физическая топология однозначно определяет логическую

топологию Однако существуют такие конфигурации в которых логическая

топология отличается от физической Например сеть с физической

- 33 -

топологией laquoзвездаraquo может иметь логическую топологию laquoшинаraquo ndash все

зависит от того каким образом устроен сетевой концентратор

Кодированиедекодирование данных Как известно данные обрабатываемые

компьютером представляются в двоичном виде - как последовательность

нулей и единиц Однако понятия нуль и единица являются логическими

понятиями обозначающими электрические сигналы отличающиеся друг от

друга физическими параметрами и использующиеся для представления

информации в различных устройствах например оперативной памяти или

центральном процессоре В силу различных технических причин эти сигналы

не всегда могут передаваться по физическим каналам связи Поэтому они

должны быть преобразованы Процесс преобразования сигналов удобных

для компьютера в сигналы которые могут быть переданы по сети

называется физическим кодированием а обратное преобразование -

декодированием

Передача сигналов Информационные сигналы передаются по физическим

линиям связи последовательно В случае если между передающей и

принимающей сторонами параллельно существуют более одной линии

например проложено несколько кабелей то оказывается возможным

одновременно (параллельно) передавать несколько сигналов Если эти

сигналы представляют различные биты передаваемых данных то

повышается скорость информационного обмена Если же сигналы

представляют один и тот же бит данных - то повышается надежность

взаимодействия

Канальный уровень

Канальный уровень отвечает за организацию передачи данных

между абонентами через физический уровень поэтому на данном

уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к общему физическому

каналу В функции данного уровня также входит упорядочивание

передачи с целью обеспечения возможности параллельного

использования одного физического канала несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем Большинство функций канального уровня

выполняются устройствами передачи данных (например сетевым

- 34 -

адаптером)

Метод коммутации

дной из центральных проблем организации передачи данных по физическим

каналам является проблема параллельного использования одного и того же

канала несколькими парами абонентов Методы лежащие в основе ее

решения получили название методов коммутации

В настоящее время существует два основных метода коммутации

коммутация каналов и коммутация пакетов

Коммутация каналов предполагает что перед началом передачи данных

должна быть выполнена процедура установления соединения в результате

которой образуется составной канал По окончании сеанса связи соединение

разрывается и канал освобождается Классическим примером реализации

коммутации каналов является телефонная связь которая подразумевает что

абонент перед началом разговора набирает номер второго абонента в

результате чего последовательное переключение промежуточных

коммутаторов позволяет образовать непрерывный канал связи между

абонентами Коммутация каналов удобна для организации линий связи в

которых подразумевается передача потоков данных постоянной

интенсивности например таких как телефонный разговор в силу чего этот

метод оказывается недостаточно гибким при построении компьютерных

сетей

Метод коммутации пакетов основан на разбиении передаваемых по сети

данных на небольшие порции Каждая такая порция передается по сети

как единое целое и называется пакетом Такой метод является очень

удобным для параллельного использования физического канала несколькими

парами абонентов канал является занятым только во время прохождения

пакета Временные промежутки между передачей пакетов одним абонентам

могут быть использованы другими для отправки собственных пакетов

Пакет обычно состоит из двух частей ndash заголовка содержащего служебные

данные необходимые для управления доставкой пакета и собственно

данных подлежащих передаче Порядок обмена пакетами а также

конкретный состав заголовка пакетов определяется сетевым протоколом

Для именования пакетов различных уровней модели OSI используются

специальные термины Для канального уровня используется термин кадр

для сетевого ndash пакет для транспортного ndash сегмент дейтаграмма для

сессионного и более высоких уровней ndash сообщение

- 35 -

Протоколы канального уровня

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена

способ представления информации а также необходимый набор правил

позволяющий упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток

битов Перед передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с

принципом пакетной коммутации разделяется на порции каждая из

которых снабжается заголовком содержащим некоторую служебную

информацию те формируется пакет На канальном уровне пакет называется

кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает

протокол Сложность канальных протоколов во многом определяется

сложностью топологии сети Очевидно что организовать общение всего двух

абонентов существенно проще чем упорядочивать информационный обмен в

сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких пар

абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Структура кадра данных

Состав заголовка кадра зависит от многих факторов определяемых набором

функций которые выполняет протокол Тем не менее можно выделить ряд

информационных полей которые обычно присутствуют в заголовке кадра К

таким полям относятся

1 Специальные поля предназначенные для определения границ кадров

Поскольку в физической среде могут постоянно проходить какие-либо

сигналы то сетевые адаптеры должны уметь разбираться в том когда

начинается передача кадра и когда она заканчивается

2 Поле предназначенное для определения протокола сетевого уровня

которому необходимо передать данные Так как на одном компьютере могут

функционировать программные модули различных протоколов сетевого

уровня то протоколы канального уровня должны уметь распределять данные

по этим протоколам

3 Контрольная сумма (или специальный код) содержимого кадра которая

позволяет принимающей стороне определить наличие ошибок в принятых

данных Принцип ее использования состоит в следующем Сетевой адаптер

отправляющего компьютера после формирования кадра вычисляет значение

- 36 -

его контрольной суммы на основе содержимого и помещает это значение в

заголовок кадра Принимающая сторона также вычисляет контрольную

сумму полученного кадра и сравнивает его со значением помещенным в

заголовке Если они не совпадают то это означает что во время передачи

кадра произошла ошибка

4 Поля предназначенные для адресации абонентов в сложных сетях

(определены для протоколов применяемых в сетях базирующихся на

сложных топологиях)

Обобщенная структура кадра данных

Протоколы для сетей сложных топологий

Протоколы канального уровня этой группы являются более сложными чем

протоколы использующиеся в сетях типа точка-точка так как вынуждены

выполнять ряд дополнительных функций Основными функциями являются

Выделение на всем множестве компьютеров подключенных к сети

конкретного абонента с которым осуществляется информационный обмен

то есть адресация

Адресация абонентов

Упорядочивание доступа к среде передачи в случае когда нескольким парам

абонентов требуется осуществить передачу данных

Для обеспечения адресации абонентов в заголовке кадров должны

присутствовать следующие поля

- 37 -

1 Адрес отправителя ndash некоторое число (или набор чисел) позволяющее

идентифицировать сетевой адаптер (а следовательно и компьютер в

котором она установлена) который осуществил передачу кадра данных в

сеть Адреса присваиваются сетевым адаптерам на заводе-изготовителе и

как правило не изменяются в дальнейшем хотя большинство современных

адаптеров позволяют перепрограммировать сетевой адрес

Протоколы канального уровня и сетевые технологии

Функциональный состав того или иного протокола канального уровня во

многом определяется особенностями физического уровня например

топологией сети или типом среды передачи Поэтому при проектировании

сетевого взаимодействия используются и разрабатываются комплексные

стандарты получившие название сетевых технологий

Сетевая технология ndash это набор стандартов определяющий минимальный

состав программно-аппаратных средств достаточный для организации

взаимодействия компьютеров в сети Как правило сетевая технология

определяет топологию сети а также протокол канального уровня (формат

кадра порядок обмена кадрами MTU)

В настоящее время существует большое количество сетевых технологий и

соответственно определяемых ими протоколов канального уровня

Рассмотрим для примера одну из наиболее популярных в настоящее время

технологий ndash технологию локальных сетей Ethernet Эта технология

предполагает что сеть должна строиться на основе физических топологий

шина если используется коаксиальный кабель или звезда если

используется кабель типа витая пара В зависимости от типа используемого

кабеля скорость передачи данных лежит в диапазоне 10-100 Мбитс В

качестве метода доступа к среде передачи используется метод обнаружения

коллизий (CSMACD) Что касается формата кадра то в настоящее время на

практике используются 4 варианта кадров Ethernet отличающихся друг от

друга но все они согласуются с общими положениями изложенными ранее

Максимальный объем данных передаваемых в одном кадре (MTU) в

технологии Ethernet не может превышать 1500 байт

Помимо технологии Ethernet в настоящее время в локальных сетях широко

используются технологии AppleTalk FDDI и ATM В глобальных сетях

широко распространены технологии ATM FrameRelay ISDN и SMDS

Существует также ряд технологий использующихся для организации

беспроводных сетей Наиболее популярной технологией применяемой при

- 38 -

построении локальных сетей в настоящее время является технология

RadioEthernet Она предполагает передачу данных в двух УКВ-диапазонах

около 915 МГЦ и 2400-24835 МГц а также в инфракрасном спектре

Диапазон 915 МГц в России и Европе достаточно сильно загружен

средствами связи (сотовая телефония) поэтому он используется как

правило для организации сетей внутри зданий хотя технически позволяет

осуществлять передачу на значительные расстояния Это же ограничение

распространяется и на инфракрасный диапазон поскольку инфракрасные

лучи чувствительны к погодным условиям В зависимости от того какой

режим передачи используется сети RadioEthernet позволяют осуществлять

передачу данных со скоростью 2 - 10 Мбитс Технология RadioEthernet

предполагает построение сетей на базе топологий точка-точка и звезда В

качестве метода доступа используется метод предупреждения коллизий

(CSMACA)

Наряду с кабельными и беспроводными технологиями существуют также

технологии предполагающие комбинирование различных типов физической

среды передачи Обычно они применяются для построения асимметричных

сетей небольшие по объему запросы пользовательских компьютеров

передаются по кабельным каналам например с использованием телефонных

линий и модемов а прием осуществляется через спутниковый радиоканал

Объединение сетей на канальном уровне

Сложные сети в общем случае представляют собой совокупность

нескольких сетей Такие сети называются объединенными сетями

(internetwork)

Необходимость объединения сетей может быть вызвана разными причинами

Прежде всего это - преодоление технических ограничений среды передачи

например максимального расстояния передачи данных Кроме того

построение сети как объединенной позволяет повысить надежность (выход

из строя одной физической среды не влияет на работу остальных) и

обеспечить определенный уровень конфиденциальности (данные

передаваемые между компьютерами одной физической среды оказываются

недоступными компьютерам других сетей)

Для построения объединенных сетей требуются специальные устройства

которые позволяют подключать к себе две (или более) сети Наиболее

простым устройством такого вида является мост (bridge)

Мост

- 39 -

Принцип функционирования моста достаточно прост для подключения сетей

мост располагает несколькими портами с каждым из которых связываются

записи так называемой адресной таблицы содержащей список адресов

компьютеров сетей подключенных к мосту Когда мост получает кадр

данных то он передает его в сеть через порт который согласно таблице

соответствует адресу получателя В случае если адрес получателя не

обнаружен в адресной таблице то кадр передается во все сети Адресные

таблицы мостов как правило строятся на основе анализа кадров

передаваемых по сетям

Функции сетевого уровня

Сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе

различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне

достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети

но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети

с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это

объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

адресации определенных различными технологиями Поэтому для

обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства

представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую

абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых

технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого

уровня модели OSI

Очевидно что устройства этого уровня предназначенные для объединения

сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального

уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную

передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть

определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку

составной сети Процесс определения пути прохождения данных через

подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства

объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название

маршрутизаторов

- 40 -

Протокол IP

Протокол IP (Internet Protocol) входит в состав стека протоколов TCPIP и

является основным протоколом сетевого уровня использующимся в

Интернет и обеспечивающим единую схему логической адресации устройств

в сети и маршрутизацию данных

Для выполнения своих функций протокол определяет свой собственный

формат пакета Основными информационными полями заголовка пакета

являются

IP-адреса отправителя и получателя ndash предназначены для

идентификации отправителя и получателя (см IP-адресация)

Время жизни пакета (Time To Live TTL) - определяет время которое

IP-пакет может находиться в сети и предназначено для

предотвращения захламления сети заблудившимися пакетами

поля предназначенные для фрагментации пакетов (см IP-

фрагментация)

поля предназначенные для управления обработкой пакета (длина

пакета и заголовка контрольная сумма заголовка тип обслуживания и

тд)

Существует 5 классов IP-адресов ndash A B C D E Принадлежность IP-

адреса к тому или иному классу определяется значением первого

октета (W) Ниже показано соответствие значений первого октета и

классов адресов

Класс IP-адреса A B C D E

Диапазон первого

октета

1-

126

128-

191

192-

223

224-

239

240-

247

IP-адреса первых трех классов предназначены для адресации

отдельных узлов и отдельных сетей Такие адреса состоят из двух

частей ndash номера сети и номера узла Такая схема аналогична схеме

почтовых индексов ndash первые три цифры кодируют регион а остальные

ndash почтовое отделение внутри региона

Преимущества двухуровневой схемы очевидны она позволяет во-

первых адресовать целиком отдельные сети внутри составной сети

что необходимо для обеспечения маршрутизации а во-вторых ndash

присваивать узлам номера внутри одной сети независимо от других

сетей Естественно что компьютеры входящие в одну и ту же сеть

должны иметь IP-адреса с одинаковым номером сети

- 41 -

IP-Маршрутизация ndash процесс выбора пути для передачи пакета в сети Под

путем (маршрутом) понимается последовательность маршрутизаторов через

которые проходит пакет по пути к узлу-назначению IP-маршрутизатор ndash это

специальное устройство предназначенное для объединения сетей и

обеспечивающее определение пути прохождения пакетов в составной сети

Маршрутизатор должен иметь несколько IP-адресов с номерами сетей

соответствующими номерам объединяемых сетей

Как известно для разных сетевых технологий значение MTU определенное

для кадров данных может отличаться Поэтому при преобразовании кадров

на маршрутизаторе может потребоваться разделение вложенных в них IP-

пакетов на более мелкие пакеты

Для разделения пакетов на фрагменты модуль IP установленный на

маршрутизаторе создает на его основе некоторое число новых пакетов (в

соответствии с длиной исходного пакета и значения MTU для сети куда

должны быть переданы данные) Для того чтобы данные могли быть

правильно собраны получателем в заголовки новых IP-пакетов помещается

специальный числовой идентификатор позволяющий однозначно

определить что эти пакеты являются фрагментами одного большого пакета

Кроме того в заголовках также указывается положения фрагментов в

исходном пакете что позволяет обеспечить правильный порядок сборки

получателем

Вспомогательные протоколы сетевого уровня стека TCPIP

Главными функциями протокола IP является обеспечение единой схемы

адресации независимой от принципов адресации определяемых сетевыми

технологиями (адресацией канального уровня) а также передача данных по

составной сети (маршрутизация и фрагментация пакетов) Однако для

организации реального взаимодействия этого оказывается недостаточно -

существует еще ряд проблем

Первая проблема состоит в следующем Для того чтобы передать данные по

сети программное обеспечение протокола IP создает пакет и передает его

средствам канального уровня При этом средствам канального уровня для

формирования кадра данных необходим адрес получателя причем не

логический IP-адрес а MAC-адрес который может быть правильно опознан

сетевым адаптером принимающего компьютера Однако спецификацией

протокола IP не предусмотрен механизм позволяющий определять

соответствие между аппаратными и IP-адресами Эту функцию выполняет

вспомогательный протокол сетевого уровня ARP (Address Resolution

Protocol) входящий в семейство протоколов TCPIP

- 42 -

Другая серьезная проблема состоит в том что если при обработке IP-пакета

на маршрутизаторе возникли какие-то проблемы например истекло время

жизни пакета то отправитель о них не узнает поскольку механизм

обратной связи также не предусмотрен спецификацией протокола IP Для

решения этой проблемы используется специальный протокол сетевого

уровня ICMP (Internet Control Message Protocol) входящий в стек протоколов

TCPIP и обеспечивающий передачу управляющей информации и

информации об ошибках

В семействе протоколов TCPIP предусмотрен также ряд других

вспомогательных протоколов например протоколы динамической

маршрутизации обеспечивающие обмен информацией между

маршрутизаторами с целью автоматизации построения таблиц

маршрутизации

Транспортный уровень

Функции транспортного уровня

Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных между

устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд)

Однако не следует забывать что на одном узле может функционировать

параллельно несколько программ которым требуется доступ к сети

Следовательно данные внутри компьютерной системы должны

распределяться между программами Поэтому при передаче данных по сети

недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо также

идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является

отсутствие средств позволяющих передавать большие массивы данных

Когда исходные данные превышают максимально допустимый размер пакета

сетевого уровня то эти данные должны быть разбиты на порции каждая из

которых передается в сеть отдельным пакетом Однако каждый пакет

сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других блок

данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и

следовательно ndash обнаружить нарушение целостности общего массива

данных Поэтому средства транспортного уровня обеспечивают отсутствие

потерь информации Такой режим передачи данных получил название

гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой

- 43 -

функциональную надстройку над сетевым уровнем и решают две основных

задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

обеспечение гарантированной доставки массивов данных

произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash

UDP обеспечивающий негарантированную доставку данных между

программами и TCP обеспечивающий гарантированную доставку с

установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной

уровень

Компоненты четырех нижних уровней модели OSI (физического канального

сетевого и транспортного) представляют собой механизм обеспечивающий

доставку данных любого типа и произвольного объема между программами

работающими на разных узлах составной сети Однако при работе в сети

пользователям требуется не просто пересылка данных а выполнение каких-

либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех

возможностей которые предоставляют средства нижних уровней

недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо

просмотреть документ расположенный не на его локальном компьютере а

на удаленной машине Решение такой задачи предполагает как минимум

прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса

содержащего имя документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного

компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной

машины изменений вносимых в этот документ другими пользователями и

уведомление об этом пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав

пользователя на работу с документом что предполагает дополнительный

- 44 -

обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних

уровней не имеют средств позволяющих реализовать специфику такого

взаимодействия Поэтому для его организации требуются дополнительные

надстройки над средствами транспортного и нижележащих уровней В

эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный уровень

уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или

сессии) при длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое

(виртуальное) соединение между двумя программами в общем случае

функционирующими на разных компьютерах В простейшем случае

установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти

необходимых для приема и передачи данных После окончания передачи

данных происходит закрытие соединения предполагающее освобождение

выделенных ресурсов Во многих случаях этого недостаточно поэтому

сессионный уровень предлагает более сложные механизмы для организации

сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая

поддержка осуществляется путем периодической отправки специальных

тестовых пакетов при получении которых участник соединения должен

ответить Возвращаясь к предложенному выше примеру следует отметить

что установление соединения при работе с удаленным документом позволяет

один раз перед началом работы проверить права доступа пользователя а

также один раз передать запрос с именем файла В случае если бы

соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог

бы уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться

дополнительное преобразование Например это необходимо в случае если

взаимодействующие программы используют различные способы кодировки

текстовой информации или если для обеспечения защиты информации

требуется осуществлять шифрование данных Обеспечение подобных

промежуточных преобразований возложено на уровень представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными

уровнями Они позволяют осуществлять работу с различными

информационными ресурсами сети например файлами или сообщениями

электронной почты Естественно что различные типы ресурсов в общем

случае требуют различных методов обработки и в том числе методов

сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI

- 45 -

является прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции

работы с конкретными информационными объектами В предложенном выше

примере (чтение удаленного документа) к функциям прикладного протокола

относятся формирование запросов на получение документа проверка прав

доступа а также определение порядка пересылки файлов и уведомлений об

изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами

определяемых протоколами прикладного уровня часть функций сессионного

уровня и уровня представления может оказаться избыточной поэтому при

программной реализации три верхних уровня обычно объединяются

Page 22: - 3 - ВВЕДЕНИЕicm.muctr.ru/study/computers/inf001.pdf · 2016-08-25 · - 7 - А) Количество информации как мера уменьшения неопределенности

- 24 -

адресации определенных различными технологиями Поэтому для обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого уровня модели OSI Устройства этого уровня предназначенные для объединения сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку составной сети Процесс определения пути прохождения данных через подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название маршрутизаторов

Транспортный уровень Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных

между устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд) Однако

не следует забывать что на одном узле может функционировать параллельно несколько

программ которым требуется доступ к сети Следовательно данные внутри

компьютерной системы должны распределяться между программами Поэтому при

передаче данных по сети недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо

также идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является отсутствие средств

позволяющих передавать большие массивы данных Когда исходные данные превышают

максимально допустимый размер пакета сетевого уровня то эти данные должны быть

разбиты на порции каждая из которых передается в сеть отдельным пакетом Однако

каждый пакет сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других

блок данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и следовательно ndash

обнаружить нарушение целостности общего массива данных Поэтому средства

транспортного уровня обеспечивают отсутствие потерь информации Такой режим

передачи данных получил название гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой функциональную

надстройку над сетевым уровнем и решают две основных задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

- 25 -

обеспечение гарантированной доставки массивов данных произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash UDP

обеспечивающий негарантированную доставку данных между программами и TCP

обеспечивающий гарантированную доставку с установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной уровень - Компоненты четырех

нижних уровней модели OSI (физического канального сетевого и транспортного)

представляют собой механизм обеспечивающий доставку данных любого типа и

произвольного объема между программами работающими на разных узлах составной

сети Однако при работе в сети пользователям требуется не просто пересылка данных а

выполнение каких-либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех возможностей

которые предоставляют средства нижних уровней недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо просмотреть

документ расположенный не на его локальном компьютере а на удаленной машине

Решение такой задачи предполагает как минимум прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса содержащего имя

документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной машины

изменений вносимых в этот документ другими пользователями и уведомление об этом

пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав пользователя на

работу с документом что предполагает дополнительный обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних уровней не имеют

средств позволяющих реализовать специфику такого взаимодействия Поэтому для его

организации требуются дополнительные надстройки над средствами транспортного и

нижележащих уровней В эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный

уровень уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или сессии) при

длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое (виртуальное) соединение между

двумя программами в общем случае функционирующими на разных компьютерах В

простейшем случае установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти необходимых для

приема и передачи данных После окончания передачи данных происходит закрытие

соединения предполагающее освобождение выделенных ресурсов Во многих случаях

этого недостаточно поэтому сессионный уровень предлагает более сложные механизмы

для организации сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая поддержка

осуществляется путем периодической отправки специальных тестовых пакетов при

получении которых участник соединения должен ответить Возвращаясь к

предложенному выше примеру следует отметить что установление соединения при

работе с удаленным документом позволяет один раз перед началом работы проверить

- 26 -

права доступа пользователя а также один раз передать запрос с именем файла В случае

если бы соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог бы

уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться дополнительное

преобразование Например это необходимо в случае если взаимодействующие

программы используют различные способы кодировки текстовой информации или если

для обеспечения защиты информации требуется осуществлять шифрование данных

Обеспечение подобных промежуточных преобразований возложено на уровень

представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными уровнями Они

позволяют осуществлять работу с различными информационными ресурсами сети

например файлами или сообщениями электронной почты Естественно что различные

типы ресурсов в общем случае требуют различных методов обработки и в том числе

методов сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI является

прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции работы с конкретными

информационными объектами В предложенном выше примере (чтение удаленного

документа) к функциям прикладного протокола относятся формирование запросов на

получение документа проверка прав доступа а также определение порядка пересылки

файлов и уведомлений об изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами определяемых

протоколами прикладного уровня часть функций сессионного уровня и уровня

представления может оказаться избыточной поэтому при программной реализации три

верхних уровня обычно объединяются

Модель сетевого взаимодействия

В 1984 году Международной Организацией по Стандартизации (International

Standard Organization ISO) была разработана модель взаимодействия

открытых систем (Open Systems Interconnection OSI) Модель представляет

собой международный стандарт для проектирования сетевых коммуникаций

и предполагает уровневый подход к построению сетей Каждый уровень

модели обслуживает различные этапы процесса взаимодействия

Посредством деления на уровни сетевая модель OSI упрощает совместную

работу оборудования и программного обеспечения Модель OSI разделяет

сетевые функции на семь уровней прикладной уровень представления

сессионный транспортный сетевой канальный и физический

Ниже дается краткая характеристика уровней модели

Физический уровень (Physical layer) определяет способ физического

соединения компьютеров в сети Функциями средств относящихся к

данному уровню являются побитовое преобразование цифровых

- 27 -

данных в сигналы передаваемые по физической среде (например по

кабелю) а также собственно передача сигналов

Канальный уровень(Data Link layer) отвечает за организацию передачи

данных между абонентами через физический уровень поэтому на

данном уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к обще линии связи В функции

данного уровня также входит упорядочивание передачи с целью

параллельного использования одной линии связи несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем

Сетевой уровень(Network layer) обеспечивает доставку данных между

компьютерами сети представляющей собой объединение различных

физических сетей Данный уровень предполагает наличие средств

логической адресации позволяющих однозначно идентифицировать

компьютер в объединенной сети Одной из главных функций

выполняемых средствами данного уровня является целенаправленная

передача данных конкретному получателю

Транспортный уровень(Transport layer) реализует передачу данных

между двумя программами функционирующими на разных

компьютерах обеспечивая при этом отсутствие потерь и дублирования

информации которые могут возникать в результате ошибок передачи

нижних уровней В случае если данные передаваемые через

транспортный уровень подвергаются фрагментации то средства

данного уровня гарантируют сборку фрагментов в правильном

порядке

Сессионный (или сеансовый) уровень (Session layer) позволяет двум

программам поддерживать продолжительное взаимодействие по сети

называемое сессией (session) или сеансом Этот уровень управляет

установлением сеанса обменом информацией и завершением сеанса

Он также отвечает за идентификацию позволяя тем самым только

определенным абонентам принимать участие в сеансе и обеспечивает

работу служб безопасности с целью упорядочивания доступа к

информации сессии

Уровень представления(Presentation layer) осуществляет

промежуточное преобразование данных исходящего сообщения в

общий формат который предусмотрен средствами нижних уровней а

также обратное преобразование входящих данных из общего формата в

формат понятный получающей программе

Прикладной уровень (Application layer) предоставляет

высокоуровневые функции сетевого взаимодействия такие как

передача файлов отправка сообщений по электронной почте и тп

Основные принципы уровневого взаимодействия

- 28 -

При уровневой организации процесса взаимодействия должны соблюдаться

следующие требования

компоненты одного уровня одной системы могут взаимодействовать с

компонентами только того же уровня другой системы

в рамках одной системы компоненты какого-либо уровня могут

взаимодействовать только с компонентами смежных (вышележащего и

нижележащего) уровней

Порядок уровневого взаимодействия

Набор правил определяющих порядок взаимодействия средств относящихся

к одному и тому же уровню и функционирующих в разных системах

называется протоколом (protocol) Правила взаимодействия между собой

средств относящихся к смежным уровням и функционирующих в одной

системе называются интерфейсом (interface)

Практическая реализация уровневого взаимодействия

На практике протоколы и интерфейсы регламентируют технические

требования предъявляемые к программным и аппаратным средствам

Программные (аппаратные) модули предназначенные для обеспечения

практического взаимодействия определяемого тем или иным протоколом

(или интерфейсом) обычно называют реализацией протокола (или

интерфейса)

Хотя различные компоненты относящиеся к различным уровням сетевой

модели формально должны быть функционально независимыми друг от

друга при практической разработке протоколов такая независимость не

всегда выдерживается Это объясняется тем что попытка добиться точного

соответствия эталонной модели может привести к неэффективности работы

программно-аппаратного обеспечения реализующего протокол В настоящее

время наблюдается два типа отклонений возникающих при реализации

уровневого взаимодействия

- 29 -

функции некоторых уровней могут объединяться одним протоколом и

наоборот ndash функции одного уровня могут делиться между различными

протоколами

функционирование протокола какого-либо уровня подразумевают

использование только определенных протоколов нижележащего

уровня

Поэтому разработка практических методов сетевого взаимодействия как

правило подразумевает разработку не отдельных протоколов а целых

наборов протоколов Такие наборы обычно включают в себя протоколы

относящиеся к нескольким смежным уровням эталонной модели OSI и

называются стеками (или семействами наборами) протоколов (protocol stack

protocol suite) Наиболее известным стеком протоколов обеспечивающим

взаимодействие в сети Интернет является стек протоколов TCPIP

Физический уровень

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Среда передачи

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Физический уровень определяет способ физического соединения

компьютеров в сети Основными функциями средств относящихся к

данному уровню является побитовое преобразование цифровых данных в

сигналы среды передачи а также собственно передача сигналов по

физической среде

Кабельные системы

- 30 -

Кабель (cable) используемый для построения компьютерных сетей

представляет собой сложную конструкцию состоящую в общем случае из

проводников изолирующих и экранирующих слоев В современных сетях

используются три типа кабеля

Еще одним важным понятием физического уровня является способ

соединения компьютеров с помощью физической среды или топология сети

Если сеть состоит всего из двух компьютеров то они соединяются

напрямую Такой способ соединения получил название точка-точка

(point-to-point)

Соединение типа точка-точка

Для обеспечения связи более чем двух компьютеров может использоваться

последовательность соединений типа точка-точка

Последовательность соединений типа точка-точка

Однако такой подход требует установки на большую часть компьютеров

нескольких устройств передачи данных

В качестве альтернативного подхода возможно использование более

сложных топологий позволяющих подключить к общей среде сразу

несколько компьютеров имеющих по одному устройству передачи данных

- 31 -

Выделяют три базовые топологии Шина (bus) Кольцо (ring)

Звезда(star)

Топология laquoШинаraquo

Топология Шина

Эта топология использует один передающий канал на базе коаксиального

кабеля называемый шиной Все сетевые компьютеры присоединяются

напрямую к шине На концах кабеля-шины устанавливаются специальные

заглушки - терминаторы (terminator) Они необходимы для того чтобы

погасить сигнал после прохождения по шине К недостаткам топологии

Шина следует отнести следующее

данные предаваемые по кабелю доступны всем подключенным

компьютерам

в случае повреждения шины вся сеть перестает функционировать

Топология laquoКольцоraquo

Топология Кольцо

Для топологии кольцо характерно отсутствие конечных точек соединения

сеть замкнута образуя неразрывное кольцо по которому передаются данные

Эта топология подразумевает следующий механизм передачи данные

передаются последовательно от одного компьютера к другому пока не

- 32 -

достигнут компьютера-получателя Недостатки топологии кольцо те же то

и у топологии шина

общедоступность данных

неустойчивость к повреждениям кабельной системы

Топология laquoЗвездаraquo

Топология Звезда

В сети с топологией звезда все компьютеры соединены со специальным

устройством называемым сетевым концентратором или хабом (hub)

который выполняет функции распределения данных Прямые соединения

двух компьютеров в сети отсутствуют Благодаря этому имеется

возможность решения проблемы общедоступности данных а также

повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы Однако

функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора

Физическая и логическая топологии

Следует отметить что термин топология может употребляться для

обозначения двух понятий ndash физической топологии и логической топологии

Физическая топология ndash способ физического соединения компьютеров с

помощью среды передачи например участками кабеля Логическая

топология определяет маршруты передачи данных в сети Во многих

случаях физическая топология однозначно определяет логическую

топологию Однако существуют такие конфигурации в которых логическая

топология отличается от физической Например сеть с физической

- 33 -

топологией laquoзвездаraquo может иметь логическую топологию laquoшинаraquo ndash все

зависит от того каким образом устроен сетевой концентратор

Кодированиедекодирование данных Как известно данные обрабатываемые

компьютером представляются в двоичном виде - как последовательность

нулей и единиц Однако понятия нуль и единица являются логическими

понятиями обозначающими электрические сигналы отличающиеся друг от

друга физическими параметрами и использующиеся для представления

информации в различных устройствах например оперативной памяти или

центральном процессоре В силу различных технических причин эти сигналы

не всегда могут передаваться по физическим каналам связи Поэтому они

должны быть преобразованы Процесс преобразования сигналов удобных

для компьютера в сигналы которые могут быть переданы по сети

называется физическим кодированием а обратное преобразование -

декодированием

Передача сигналов Информационные сигналы передаются по физическим

линиям связи последовательно В случае если между передающей и

принимающей сторонами параллельно существуют более одной линии

например проложено несколько кабелей то оказывается возможным

одновременно (параллельно) передавать несколько сигналов Если эти

сигналы представляют различные биты передаваемых данных то

повышается скорость информационного обмена Если же сигналы

представляют один и тот же бит данных - то повышается надежность

взаимодействия

Канальный уровень

Канальный уровень отвечает за организацию передачи данных

между абонентами через физический уровень поэтому на данном

уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к общему физическому

каналу В функции данного уровня также входит упорядочивание

передачи с целью обеспечения возможности параллельного

использования одного физического канала несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем Большинство функций канального уровня

выполняются устройствами передачи данных (например сетевым

- 34 -

адаптером)

Метод коммутации

дной из центральных проблем организации передачи данных по физическим

каналам является проблема параллельного использования одного и того же

канала несколькими парами абонентов Методы лежащие в основе ее

решения получили название методов коммутации

В настоящее время существует два основных метода коммутации

коммутация каналов и коммутация пакетов

Коммутация каналов предполагает что перед началом передачи данных

должна быть выполнена процедура установления соединения в результате

которой образуется составной канал По окончании сеанса связи соединение

разрывается и канал освобождается Классическим примером реализации

коммутации каналов является телефонная связь которая подразумевает что

абонент перед началом разговора набирает номер второго абонента в

результате чего последовательное переключение промежуточных

коммутаторов позволяет образовать непрерывный канал связи между

абонентами Коммутация каналов удобна для организации линий связи в

которых подразумевается передача потоков данных постоянной

интенсивности например таких как телефонный разговор в силу чего этот

метод оказывается недостаточно гибким при построении компьютерных

сетей

Метод коммутации пакетов основан на разбиении передаваемых по сети

данных на небольшие порции Каждая такая порция передается по сети

как единое целое и называется пакетом Такой метод является очень

удобным для параллельного использования физического канала несколькими

парами абонентов канал является занятым только во время прохождения

пакета Временные промежутки между передачей пакетов одним абонентам

могут быть использованы другими для отправки собственных пакетов

Пакет обычно состоит из двух частей ndash заголовка содержащего служебные

данные необходимые для управления доставкой пакета и собственно

данных подлежащих передаче Порядок обмена пакетами а также

конкретный состав заголовка пакетов определяется сетевым протоколом

Для именования пакетов различных уровней модели OSI используются

специальные термины Для канального уровня используется термин кадр

для сетевого ndash пакет для транспортного ndash сегмент дейтаграмма для

сессионного и более высоких уровней ndash сообщение

- 35 -

Протоколы канального уровня

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена

способ представления информации а также необходимый набор правил

позволяющий упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток

битов Перед передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с

принципом пакетной коммутации разделяется на порции каждая из

которых снабжается заголовком содержащим некоторую служебную

информацию те формируется пакет На канальном уровне пакет называется

кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает

протокол Сложность канальных протоколов во многом определяется

сложностью топологии сети Очевидно что организовать общение всего двух

абонентов существенно проще чем упорядочивать информационный обмен в

сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких пар

абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Структура кадра данных

Состав заголовка кадра зависит от многих факторов определяемых набором

функций которые выполняет протокол Тем не менее можно выделить ряд

информационных полей которые обычно присутствуют в заголовке кадра К

таким полям относятся

1 Специальные поля предназначенные для определения границ кадров

Поскольку в физической среде могут постоянно проходить какие-либо

сигналы то сетевые адаптеры должны уметь разбираться в том когда

начинается передача кадра и когда она заканчивается

2 Поле предназначенное для определения протокола сетевого уровня

которому необходимо передать данные Так как на одном компьютере могут

функционировать программные модули различных протоколов сетевого

уровня то протоколы канального уровня должны уметь распределять данные

по этим протоколам

3 Контрольная сумма (или специальный код) содержимого кадра которая

позволяет принимающей стороне определить наличие ошибок в принятых

данных Принцип ее использования состоит в следующем Сетевой адаптер

отправляющего компьютера после формирования кадра вычисляет значение

- 36 -

его контрольной суммы на основе содержимого и помещает это значение в

заголовок кадра Принимающая сторона также вычисляет контрольную

сумму полученного кадра и сравнивает его со значением помещенным в

заголовке Если они не совпадают то это означает что во время передачи

кадра произошла ошибка

4 Поля предназначенные для адресации абонентов в сложных сетях

(определены для протоколов применяемых в сетях базирующихся на

сложных топологиях)

Обобщенная структура кадра данных

Протоколы для сетей сложных топологий

Протоколы канального уровня этой группы являются более сложными чем

протоколы использующиеся в сетях типа точка-точка так как вынуждены

выполнять ряд дополнительных функций Основными функциями являются

Выделение на всем множестве компьютеров подключенных к сети

конкретного абонента с которым осуществляется информационный обмен

то есть адресация

Адресация абонентов

Упорядочивание доступа к среде передачи в случае когда нескольким парам

абонентов требуется осуществить передачу данных

Для обеспечения адресации абонентов в заголовке кадров должны

присутствовать следующие поля

- 37 -

1 Адрес отправителя ndash некоторое число (или набор чисел) позволяющее

идентифицировать сетевой адаптер (а следовательно и компьютер в

котором она установлена) который осуществил передачу кадра данных в

сеть Адреса присваиваются сетевым адаптерам на заводе-изготовителе и

как правило не изменяются в дальнейшем хотя большинство современных

адаптеров позволяют перепрограммировать сетевой адрес

Протоколы канального уровня и сетевые технологии

Функциональный состав того или иного протокола канального уровня во

многом определяется особенностями физического уровня например

топологией сети или типом среды передачи Поэтому при проектировании

сетевого взаимодействия используются и разрабатываются комплексные

стандарты получившие название сетевых технологий

Сетевая технология ndash это набор стандартов определяющий минимальный

состав программно-аппаратных средств достаточный для организации

взаимодействия компьютеров в сети Как правило сетевая технология

определяет топологию сети а также протокол канального уровня (формат

кадра порядок обмена кадрами MTU)

В настоящее время существует большое количество сетевых технологий и

соответственно определяемых ими протоколов канального уровня

Рассмотрим для примера одну из наиболее популярных в настоящее время

технологий ndash технологию локальных сетей Ethernet Эта технология

предполагает что сеть должна строиться на основе физических топологий

шина если используется коаксиальный кабель или звезда если

используется кабель типа витая пара В зависимости от типа используемого

кабеля скорость передачи данных лежит в диапазоне 10-100 Мбитс В

качестве метода доступа к среде передачи используется метод обнаружения

коллизий (CSMACD) Что касается формата кадра то в настоящее время на

практике используются 4 варианта кадров Ethernet отличающихся друг от

друга но все они согласуются с общими положениями изложенными ранее

Максимальный объем данных передаваемых в одном кадре (MTU) в

технологии Ethernet не может превышать 1500 байт

Помимо технологии Ethernet в настоящее время в локальных сетях широко

используются технологии AppleTalk FDDI и ATM В глобальных сетях

широко распространены технологии ATM FrameRelay ISDN и SMDS

Существует также ряд технологий использующихся для организации

беспроводных сетей Наиболее популярной технологией применяемой при

- 38 -

построении локальных сетей в настоящее время является технология

RadioEthernet Она предполагает передачу данных в двух УКВ-диапазонах

около 915 МГЦ и 2400-24835 МГц а также в инфракрасном спектре

Диапазон 915 МГц в России и Европе достаточно сильно загружен

средствами связи (сотовая телефония) поэтому он используется как

правило для организации сетей внутри зданий хотя технически позволяет

осуществлять передачу на значительные расстояния Это же ограничение

распространяется и на инфракрасный диапазон поскольку инфракрасные

лучи чувствительны к погодным условиям В зависимости от того какой

режим передачи используется сети RadioEthernet позволяют осуществлять

передачу данных со скоростью 2 - 10 Мбитс Технология RadioEthernet

предполагает построение сетей на базе топологий точка-точка и звезда В

качестве метода доступа используется метод предупреждения коллизий

(CSMACA)

Наряду с кабельными и беспроводными технологиями существуют также

технологии предполагающие комбинирование различных типов физической

среды передачи Обычно они применяются для построения асимметричных

сетей небольшие по объему запросы пользовательских компьютеров

передаются по кабельным каналам например с использованием телефонных

линий и модемов а прием осуществляется через спутниковый радиоканал

Объединение сетей на канальном уровне

Сложные сети в общем случае представляют собой совокупность

нескольких сетей Такие сети называются объединенными сетями

(internetwork)

Необходимость объединения сетей может быть вызвана разными причинами

Прежде всего это - преодоление технических ограничений среды передачи

например максимального расстояния передачи данных Кроме того

построение сети как объединенной позволяет повысить надежность (выход

из строя одной физической среды не влияет на работу остальных) и

обеспечить определенный уровень конфиденциальности (данные

передаваемые между компьютерами одной физической среды оказываются

недоступными компьютерам других сетей)

Для построения объединенных сетей требуются специальные устройства

которые позволяют подключать к себе две (или более) сети Наиболее

простым устройством такого вида является мост (bridge)

Мост

- 39 -

Принцип функционирования моста достаточно прост для подключения сетей

мост располагает несколькими портами с каждым из которых связываются

записи так называемой адресной таблицы содержащей список адресов

компьютеров сетей подключенных к мосту Когда мост получает кадр

данных то он передает его в сеть через порт который согласно таблице

соответствует адресу получателя В случае если адрес получателя не

обнаружен в адресной таблице то кадр передается во все сети Адресные

таблицы мостов как правило строятся на основе анализа кадров

передаваемых по сетям

Функции сетевого уровня

Сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе

различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне

достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети

но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети

с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это

объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

адресации определенных различными технологиями Поэтому для

обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства

представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую

абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых

технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого

уровня модели OSI

Очевидно что устройства этого уровня предназначенные для объединения

сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального

уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную

передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть

определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку

составной сети Процесс определения пути прохождения данных через

подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства

объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название

маршрутизаторов

- 40 -

Протокол IP

Протокол IP (Internet Protocol) входит в состав стека протоколов TCPIP и

является основным протоколом сетевого уровня использующимся в

Интернет и обеспечивающим единую схему логической адресации устройств

в сети и маршрутизацию данных

Для выполнения своих функций протокол определяет свой собственный

формат пакета Основными информационными полями заголовка пакета

являются

IP-адреса отправителя и получателя ndash предназначены для

идентификации отправителя и получателя (см IP-адресация)

Время жизни пакета (Time To Live TTL) - определяет время которое

IP-пакет может находиться в сети и предназначено для

предотвращения захламления сети заблудившимися пакетами

поля предназначенные для фрагментации пакетов (см IP-

фрагментация)

поля предназначенные для управления обработкой пакета (длина

пакета и заголовка контрольная сумма заголовка тип обслуживания и

тд)

Существует 5 классов IP-адресов ndash A B C D E Принадлежность IP-

адреса к тому или иному классу определяется значением первого

октета (W) Ниже показано соответствие значений первого октета и

классов адресов

Класс IP-адреса A B C D E

Диапазон первого

октета

1-

126

128-

191

192-

223

224-

239

240-

247

IP-адреса первых трех классов предназначены для адресации

отдельных узлов и отдельных сетей Такие адреса состоят из двух

частей ndash номера сети и номера узла Такая схема аналогична схеме

почтовых индексов ndash первые три цифры кодируют регион а остальные

ndash почтовое отделение внутри региона

Преимущества двухуровневой схемы очевидны она позволяет во-

первых адресовать целиком отдельные сети внутри составной сети

что необходимо для обеспечения маршрутизации а во-вторых ndash

присваивать узлам номера внутри одной сети независимо от других

сетей Естественно что компьютеры входящие в одну и ту же сеть

должны иметь IP-адреса с одинаковым номером сети

- 41 -

IP-Маршрутизация ndash процесс выбора пути для передачи пакета в сети Под

путем (маршрутом) понимается последовательность маршрутизаторов через

которые проходит пакет по пути к узлу-назначению IP-маршрутизатор ndash это

специальное устройство предназначенное для объединения сетей и

обеспечивающее определение пути прохождения пакетов в составной сети

Маршрутизатор должен иметь несколько IP-адресов с номерами сетей

соответствующими номерам объединяемых сетей

Как известно для разных сетевых технологий значение MTU определенное

для кадров данных может отличаться Поэтому при преобразовании кадров

на маршрутизаторе может потребоваться разделение вложенных в них IP-

пакетов на более мелкие пакеты

Для разделения пакетов на фрагменты модуль IP установленный на

маршрутизаторе создает на его основе некоторое число новых пакетов (в

соответствии с длиной исходного пакета и значения MTU для сети куда

должны быть переданы данные) Для того чтобы данные могли быть

правильно собраны получателем в заголовки новых IP-пакетов помещается

специальный числовой идентификатор позволяющий однозначно

определить что эти пакеты являются фрагментами одного большого пакета

Кроме того в заголовках также указывается положения фрагментов в

исходном пакете что позволяет обеспечить правильный порядок сборки

получателем

Вспомогательные протоколы сетевого уровня стека TCPIP

Главными функциями протокола IP является обеспечение единой схемы

адресации независимой от принципов адресации определяемых сетевыми

технологиями (адресацией канального уровня) а также передача данных по

составной сети (маршрутизация и фрагментация пакетов) Однако для

организации реального взаимодействия этого оказывается недостаточно -

существует еще ряд проблем

Первая проблема состоит в следующем Для того чтобы передать данные по

сети программное обеспечение протокола IP создает пакет и передает его

средствам канального уровня При этом средствам канального уровня для

формирования кадра данных необходим адрес получателя причем не

логический IP-адрес а MAC-адрес который может быть правильно опознан

сетевым адаптером принимающего компьютера Однако спецификацией

протокола IP не предусмотрен механизм позволяющий определять

соответствие между аппаратными и IP-адресами Эту функцию выполняет

вспомогательный протокол сетевого уровня ARP (Address Resolution

Protocol) входящий в семейство протоколов TCPIP

- 42 -

Другая серьезная проблема состоит в том что если при обработке IP-пакета

на маршрутизаторе возникли какие-то проблемы например истекло время

жизни пакета то отправитель о них не узнает поскольку механизм

обратной связи также не предусмотрен спецификацией протокола IP Для

решения этой проблемы используется специальный протокол сетевого

уровня ICMP (Internet Control Message Protocol) входящий в стек протоколов

TCPIP и обеспечивающий передачу управляющей информации и

информации об ошибках

В семействе протоколов TCPIP предусмотрен также ряд других

вспомогательных протоколов например протоколы динамической

маршрутизации обеспечивающие обмен информацией между

маршрутизаторами с целью автоматизации построения таблиц

маршрутизации

Транспортный уровень

Функции транспортного уровня

Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных между

устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд)

Однако не следует забывать что на одном узле может функционировать

параллельно несколько программ которым требуется доступ к сети

Следовательно данные внутри компьютерной системы должны

распределяться между программами Поэтому при передаче данных по сети

недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо также

идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является

отсутствие средств позволяющих передавать большие массивы данных

Когда исходные данные превышают максимально допустимый размер пакета

сетевого уровня то эти данные должны быть разбиты на порции каждая из

которых передается в сеть отдельным пакетом Однако каждый пакет

сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других блок

данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и

следовательно ndash обнаружить нарушение целостности общего массива

данных Поэтому средства транспортного уровня обеспечивают отсутствие

потерь информации Такой режим передачи данных получил название

гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой

- 43 -

функциональную надстройку над сетевым уровнем и решают две основных

задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

обеспечение гарантированной доставки массивов данных

произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash

UDP обеспечивающий негарантированную доставку данных между

программами и TCP обеспечивающий гарантированную доставку с

установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной

уровень

Компоненты четырех нижних уровней модели OSI (физического канального

сетевого и транспортного) представляют собой механизм обеспечивающий

доставку данных любого типа и произвольного объема между программами

работающими на разных узлах составной сети Однако при работе в сети

пользователям требуется не просто пересылка данных а выполнение каких-

либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех

возможностей которые предоставляют средства нижних уровней

недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо

просмотреть документ расположенный не на его локальном компьютере а

на удаленной машине Решение такой задачи предполагает как минимум

прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса

содержащего имя документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного

компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной

машины изменений вносимых в этот документ другими пользователями и

уведомление об этом пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав

пользователя на работу с документом что предполагает дополнительный

- 44 -

обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних

уровней не имеют средств позволяющих реализовать специфику такого

взаимодействия Поэтому для его организации требуются дополнительные

надстройки над средствами транспортного и нижележащих уровней В

эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный уровень

уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или

сессии) при длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое

(виртуальное) соединение между двумя программами в общем случае

функционирующими на разных компьютерах В простейшем случае

установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти

необходимых для приема и передачи данных После окончания передачи

данных происходит закрытие соединения предполагающее освобождение

выделенных ресурсов Во многих случаях этого недостаточно поэтому

сессионный уровень предлагает более сложные механизмы для организации

сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая

поддержка осуществляется путем периодической отправки специальных

тестовых пакетов при получении которых участник соединения должен

ответить Возвращаясь к предложенному выше примеру следует отметить

что установление соединения при работе с удаленным документом позволяет

один раз перед началом работы проверить права доступа пользователя а

также один раз передать запрос с именем файла В случае если бы

соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог

бы уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться

дополнительное преобразование Например это необходимо в случае если

взаимодействующие программы используют различные способы кодировки

текстовой информации или если для обеспечения защиты информации

требуется осуществлять шифрование данных Обеспечение подобных

промежуточных преобразований возложено на уровень представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными

уровнями Они позволяют осуществлять работу с различными

информационными ресурсами сети например файлами или сообщениями

электронной почты Естественно что различные типы ресурсов в общем

случае требуют различных методов обработки и в том числе методов

сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI

- 45 -

является прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции

работы с конкретными информационными объектами В предложенном выше

примере (чтение удаленного документа) к функциям прикладного протокола

относятся формирование запросов на получение документа проверка прав

доступа а также определение порядка пересылки файлов и уведомлений об

изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами

определяемых протоколами прикладного уровня часть функций сессионного

уровня и уровня представления может оказаться избыточной поэтому при

программной реализации три верхних уровня обычно объединяются

Page 23: - 3 - ВВЕДЕНИЕicm.muctr.ru/study/computers/inf001.pdf · 2016-08-25 · - 7 - А) Количество информации как мера уменьшения неопределенности

- 25 -

обеспечение гарантированной доставки массивов данных произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash UDP

обеспечивающий негарантированную доставку данных между программами и TCP

обеспечивающий гарантированную доставку с установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной уровень - Компоненты четырех

нижних уровней модели OSI (физического канального сетевого и транспортного)

представляют собой механизм обеспечивающий доставку данных любого типа и

произвольного объема между программами работающими на разных узлах составной

сети Однако при работе в сети пользователям требуется не просто пересылка данных а

выполнение каких-либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех возможностей

которые предоставляют средства нижних уровней недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо просмотреть

документ расположенный не на его локальном компьютере а на удаленной машине

Решение такой задачи предполагает как минимум прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса содержащего имя

документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной машины

изменений вносимых в этот документ другими пользователями и уведомление об этом

пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав пользователя на

работу с документом что предполагает дополнительный обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних уровней не имеют

средств позволяющих реализовать специфику такого взаимодействия Поэтому для его

организации требуются дополнительные надстройки над средствами транспортного и

нижележащих уровней В эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный

уровень уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или сессии) при

длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое (виртуальное) соединение между

двумя программами в общем случае функционирующими на разных компьютерах В

простейшем случае установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти необходимых для

приема и передачи данных После окончания передачи данных происходит закрытие

соединения предполагающее освобождение выделенных ресурсов Во многих случаях

этого недостаточно поэтому сессионный уровень предлагает более сложные механизмы

для организации сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая поддержка

осуществляется путем периодической отправки специальных тестовых пакетов при

получении которых участник соединения должен ответить Возвращаясь к

предложенному выше примеру следует отметить что установление соединения при

работе с удаленным документом позволяет один раз перед началом работы проверить

- 26 -

права доступа пользователя а также один раз передать запрос с именем файла В случае

если бы соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог бы

уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться дополнительное

преобразование Например это необходимо в случае если взаимодействующие

программы используют различные способы кодировки текстовой информации или если

для обеспечения защиты информации требуется осуществлять шифрование данных

Обеспечение подобных промежуточных преобразований возложено на уровень

представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными уровнями Они

позволяют осуществлять работу с различными информационными ресурсами сети

например файлами или сообщениями электронной почты Естественно что различные

типы ресурсов в общем случае требуют различных методов обработки и в том числе

методов сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI является

прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции работы с конкретными

информационными объектами В предложенном выше примере (чтение удаленного

документа) к функциям прикладного протокола относятся формирование запросов на

получение документа проверка прав доступа а также определение порядка пересылки

файлов и уведомлений об изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами определяемых

протоколами прикладного уровня часть функций сессионного уровня и уровня

представления может оказаться избыточной поэтому при программной реализации три

верхних уровня обычно объединяются

Модель сетевого взаимодействия

В 1984 году Международной Организацией по Стандартизации (International

Standard Organization ISO) была разработана модель взаимодействия

открытых систем (Open Systems Interconnection OSI) Модель представляет

собой международный стандарт для проектирования сетевых коммуникаций

и предполагает уровневый подход к построению сетей Каждый уровень

модели обслуживает различные этапы процесса взаимодействия

Посредством деления на уровни сетевая модель OSI упрощает совместную

работу оборудования и программного обеспечения Модель OSI разделяет

сетевые функции на семь уровней прикладной уровень представления

сессионный транспортный сетевой канальный и физический

Ниже дается краткая характеристика уровней модели

Физический уровень (Physical layer) определяет способ физического

соединения компьютеров в сети Функциями средств относящихся к

данному уровню являются побитовое преобразование цифровых

- 27 -

данных в сигналы передаваемые по физической среде (например по

кабелю) а также собственно передача сигналов

Канальный уровень(Data Link layer) отвечает за организацию передачи

данных между абонентами через физический уровень поэтому на

данном уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к обще линии связи В функции

данного уровня также входит упорядочивание передачи с целью

параллельного использования одной линии связи несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем

Сетевой уровень(Network layer) обеспечивает доставку данных между

компьютерами сети представляющей собой объединение различных

физических сетей Данный уровень предполагает наличие средств

логической адресации позволяющих однозначно идентифицировать

компьютер в объединенной сети Одной из главных функций

выполняемых средствами данного уровня является целенаправленная

передача данных конкретному получателю

Транспортный уровень(Transport layer) реализует передачу данных

между двумя программами функционирующими на разных

компьютерах обеспечивая при этом отсутствие потерь и дублирования

информации которые могут возникать в результате ошибок передачи

нижних уровней В случае если данные передаваемые через

транспортный уровень подвергаются фрагментации то средства

данного уровня гарантируют сборку фрагментов в правильном

порядке

Сессионный (или сеансовый) уровень (Session layer) позволяет двум

программам поддерживать продолжительное взаимодействие по сети

называемое сессией (session) или сеансом Этот уровень управляет

установлением сеанса обменом информацией и завершением сеанса

Он также отвечает за идентификацию позволяя тем самым только

определенным абонентам принимать участие в сеансе и обеспечивает

работу служб безопасности с целью упорядочивания доступа к

информации сессии

Уровень представления(Presentation layer) осуществляет

промежуточное преобразование данных исходящего сообщения в

общий формат который предусмотрен средствами нижних уровней а

также обратное преобразование входящих данных из общего формата в

формат понятный получающей программе

Прикладной уровень (Application layer) предоставляет

высокоуровневые функции сетевого взаимодействия такие как

передача файлов отправка сообщений по электронной почте и тп

Основные принципы уровневого взаимодействия

- 28 -

При уровневой организации процесса взаимодействия должны соблюдаться

следующие требования

компоненты одного уровня одной системы могут взаимодействовать с

компонентами только того же уровня другой системы

в рамках одной системы компоненты какого-либо уровня могут

взаимодействовать только с компонентами смежных (вышележащего и

нижележащего) уровней

Порядок уровневого взаимодействия

Набор правил определяющих порядок взаимодействия средств относящихся

к одному и тому же уровню и функционирующих в разных системах

называется протоколом (protocol) Правила взаимодействия между собой

средств относящихся к смежным уровням и функционирующих в одной

системе называются интерфейсом (interface)

Практическая реализация уровневого взаимодействия

На практике протоколы и интерфейсы регламентируют технические

требования предъявляемые к программным и аппаратным средствам

Программные (аппаратные) модули предназначенные для обеспечения

практического взаимодействия определяемого тем или иным протоколом

(или интерфейсом) обычно называют реализацией протокола (или

интерфейса)

Хотя различные компоненты относящиеся к различным уровням сетевой

модели формально должны быть функционально независимыми друг от

друга при практической разработке протоколов такая независимость не

всегда выдерживается Это объясняется тем что попытка добиться точного

соответствия эталонной модели может привести к неэффективности работы

программно-аппаратного обеспечения реализующего протокол В настоящее

время наблюдается два типа отклонений возникающих при реализации

уровневого взаимодействия

- 29 -

функции некоторых уровней могут объединяться одним протоколом и

наоборот ndash функции одного уровня могут делиться между различными

протоколами

функционирование протокола какого-либо уровня подразумевают

использование только определенных протоколов нижележащего

уровня

Поэтому разработка практических методов сетевого взаимодействия как

правило подразумевает разработку не отдельных протоколов а целых

наборов протоколов Такие наборы обычно включают в себя протоколы

относящиеся к нескольким смежным уровням эталонной модели OSI и

называются стеками (или семействами наборами) протоколов (protocol stack

protocol suite) Наиболее известным стеком протоколов обеспечивающим

взаимодействие в сети Интернет является стек протоколов TCPIP

Физический уровень

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Среда передачи

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Физический уровень определяет способ физического соединения

компьютеров в сети Основными функциями средств относящихся к

данному уровню является побитовое преобразование цифровых данных в

сигналы среды передачи а также собственно передача сигналов по

физической среде

Кабельные системы

- 30 -

Кабель (cable) используемый для построения компьютерных сетей

представляет собой сложную конструкцию состоящую в общем случае из

проводников изолирующих и экранирующих слоев В современных сетях

используются три типа кабеля

Еще одним важным понятием физического уровня является способ

соединения компьютеров с помощью физической среды или топология сети

Если сеть состоит всего из двух компьютеров то они соединяются

напрямую Такой способ соединения получил название точка-точка

(point-to-point)

Соединение типа точка-точка

Для обеспечения связи более чем двух компьютеров может использоваться

последовательность соединений типа точка-точка

Последовательность соединений типа точка-точка

Однако такой подход требует установки на большую часть компьютеров

нескольких устройств передачи данных

В качестве альтернативного подхода возможно использование более

сложных топологий позволяющих подключить к общей среде сразу

несколько компьютеров имеющих по одному устройству передачи данных

- 31 -

Выделяют три базовые топологии Шина (bus) Кольцо (ring)

Звезда(star)

Топология laquoШинаraquo

Топология Шина

Эта топология использует один передающий канал на базе коаксиального

кабеля называемый шиной Все сетевые компьютеры присоединяются

напрямую к шине На концах кабеля-шины устанавливаются специальные

заглушки - терминаторы (terminator) Они необходимы для того чтобы

погасить сигнал после прохождения по шине К недостаткам топологии

Шина следует отнести следующее

данные предаваемые по кабелю доступны всем подключенным

компьютерам

в случае повреждения шины вся сеть перестает функционировать

Топология laquoКольцоraquo

Топология Кольцо

Для топологии кольцо характерно отсутствие конечных точек соединения

сеть замкнута образуя неразрывное кольцо по которому передаются данные

Эта топология подразумевает следующий механизм передачи данные

передаются последовательно от одного компьютера к другому пока не

- 32 -

достигнут компьютера-получателя Недостатки топологии кольцо те же то

и у топологии шина

общедоступность данных

неустойчивость к повреждениям кабельной системы

Топология laquoЗвездаraquo

Топология Звезда

В сети с топологией звезда все компьютеры соединены со специальным

устройством называемым сетевым концентратором или хабом (hub)

который выполняет функции распределения данных Прямые соединения

двух компьютеров в сети отсутствуют Благодаря этому имеется

возможность решения проблемы общедоступности данных а также

повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы Однако

функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора

Физическая и логическая топологии

Следует отметить что термин топология может употребляться для

обозначения двух понятий ndash физической топологии и логической топологии

Физическая топология ndash способ физического соединения компьютеров с

помощью среды передачи например участками кабеля Логическая

топология определяет маршруты передачи данных в сети Во многих

случаях физическая топология однозначно определяет логическую

топологию Однако существуют такие конфигурации в которых логическая

топология отличается от физической Например сеть с физической

- 33 -

топологией laquoзвездаraquo может иметь логическую топологию laquoшинаraquo ndash все

зависит от того каким образом устроен сетевой концентратор

Кодированиедекодирование данных Как известно данные обрабатываемые

компьютером представляются в двоичном виде - как последовательность

нулей и единиц Однако понятия нуль и единица являются логическими

понятиями обозначающими электрические сигналы отличающиеся друг от

друга физическими параметрами и использующиеся для представления

информации в различных устройствах например оперативной памяти или

центральном процессоре В силу различных технических причин эти сигналы

не всегда могут передаваться по физическим каналам связи Поэтому они

должны быть преобразованы Процесс преобразования сигналов удобных

для компьютера в сигналы которые могут быть переданы по сети

называется физическим кодированием а обратное преобразование -

декодированием

Передача сигналов Информационные сигналы передаются по физическим

линиям связи последовательно В случае если между передающей и

принимающей сторонами параллельно существуют более одной линии

например проложено несколько кабелей то оказывается возможным

одновременно (параллельно) передавать несколько сигналов Если эти

сигналы представляют различные биты передаваемых данных то

повышается скорость информационного обмена Если же сигналы

представляют один и тот же бит данных - то повышается надежность

взаимодействия

Канальный уровень

Канальный уровень отвечает за организацию передачи данных

между абонентами через физический уровень поэтому на данном

уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к общему физическому

каналу В функции данного уровня также входит упорядочивание

передачи с целью обеспечения возможности параллельного

использования одного физического канала несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем Большинство функций канального уровня

выполняются устройствами передачи данных (например сетевым

- 34 -

адаптером)

Метод коммутации

дной из центральных проблем организации передачи данных по физическим

каналам является проблема параллельного использования одного и того же

канала несколькими парами абонентов Методы лежащие в основе ее

решения получили название методов коммутации

В настоящее время существует два основных метода коммутации

коммутация каналов и коммутация пакетов

Коммутация каналов предполагает что перед началом передачи данных

должна быть выполнена процедура установления соединения в результате

которой образуется составной канал По окончании сеанса связи соединение

разрывается и канал освобождается Классическим примером реализации

коммутации каналов является телефонная связь которая подразумевает что

абонент перед началом разговора набирает номер второго абонента в

результате чего последовательное переключение промежуточных

коммутаторов позволяет образовать непрерывный канал связи между

абонентами Коммутация каналов удобна для организации линий связи в

которых подразумевается передача потоков данных постоянной

интенсивности например таких как телефонный разговор в силу чего этот

метод оказывается недостаточно гибким при построении компьютерных

сетей

Метод коммутации пакетов основан на разбиении передаваемых по сети

данных на небольшие порции Каждая такая порция передается по сети

как единое целое и называется пакетом Такой метод является очень

удобным для параллельного использования физического канала несколькими

парами абонентов канал является занятым только во время прохождения

пакета Временные промежутки между передачей пакетов одним абонентам

могут быть использованы другими для отправки собственных пакетов

Пакет обычно состоит из двух частей ndash заголовка содержащего служебные

данные необходимые для управления доставкой пакета и собственно

данных подлежащих передаче Порядок обмена пакетами а также

конкретный состав заголовка пакетов определяется сетевым протоколом

Для именования пакетов различных уровней модели OSI используются

специальные термины Для канального уровня используется термин кадр

для сетевого ndash пакет для транспортного ndash сегмент дейтаграмма для

сессионного и более высоких уровней ndash сообщение

- 35 -

Протоколы канального уровня

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена

способ представления информации а также необходимый набор правил

позволяющий упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток

битов Перед передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с

принципом пакетной коммутации разделяется на порции каждая из

которых снабжается заголовком содержащим некоторую служебную

информацию те формируется пакет На канальном уровне пакет называется

кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает

протокол Сложность канальных протоколов во многом определяется

сложностью топологии сети Очевидно что организовать общение всего двух

абонентов существенно проще чем упорядочивать информационный обмен в

сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких пар

абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Структура кадра данных

Состав заголовка кадра зависит от многих факторов определяемых набором

функций которые выполняет протокол Тем не менее можно выделить ряд

информационных полей которые обычно присутствуют в заголовке кадра К

таким полям относятся

1 Специальные поля предназначенные для определения границ кадров

Поскольку в физической среде могут постоянно проходить какие-либо

сигналы то сетевые адаптеры должны уметь разбираться в том когда

начинается передача кадра и когда она заканчивается

2 Поле предназначенное для определения протокола сетевого уровня

которому необходимо передать данные Так как на одном компьютере могут

функционировать программные модули различных протоколов сетевого

уровня то протоколы канального уровня должны уметь распределять данные

по этим протоколам

3 Контрольная сумма (или специальный код) содержимого кадра которая

позволяет принимающей стороне определить наличие ошибок в принятых

данных Принцип ее использования состоит в следующем Сетевой адаптер

отправляющего компьютера после формирования кадра вычисляет значение

- 36 -

его контрольной суммы на основе содержимого и помещает это значение в

заголовок кадра Принимающая сторона также вычисляет контрольную

сумму полученного кадра и сравнивает его со значением помещенным в

заголовке Если они не совпадают то это означает что во время передачи

кадра произошла ошибка

4 Поля предназначенные для адресации абонентов в сложных сетях

(определены для протоколов применяемых в сетях базирующихся на

сложных топологиях)

Обобщенная структура кадра данных

Протоколы для сетей сложных топологий

Протоколы канального уровня этой группы являются более сложными чем

протоколы использующиеся в сетях типа точка-точка так как вынуждены

выполнять ряд дополнительных функций Основными функциями являются

Выделение на всем множестве компьютеров подключенных к сети

конкретного абонента с которым осуществляется информационный обмен

то есть адресация

Адресация абонентов

Упорядочивание доступа к среде передачи в случае когда нескольким парам

абонентов требуется осуществить передачу данных

Для обеспечения адресации абонентов в заголовке кадров должны

присутствовать следующие поля

- 37 -

1 Адрес отправителя ndash некоторое число (или набор чисел) позволяющее

идентифицировать сетевой адаптер (а следовательно и компьютер в

котором она установлена) который осуществил передачу кадра данных в

сеть Адреса присваиваются сетевым адаптерам на заводе-изготовителе и

как правило не изменяются в дальнейшем хотя большинство современных

адаптеров позволяют перепрограммировать сетевой адрес

Протоколы канального уровня и сетевые технологии

Функциональный состав того или иного протокола канального уровня во

многом определяется особенностями физического уровня например

топологией сети или типом среды передачи Поэтому при проектировании

сетевого взаимодействия используются и разрабатываются комплексные

стандарты получившие название сетевых технологий

Сетевая технология ndash это набор стандартов определяющий минимальный

состав программно-аппаратных средств достаточный для организации

взаимодействия компьютеров в сети Как правило сетевая технология

определяет топологию сети а также протокол канального уровня (формат

кадра порядок обмена кадрами MTU)

В настоящее время существует большое количество сетевых технологий и

соответственно определяемых ими протоколов канального уровня

Рассмотрим для примера одну из наиболее популярных в настоящее время

технологий ndash технологию локальных сетей Ethernet Эта технология

предполагает что сеть должна строиться на основе физических топологий

шина если используется коаксиальный кабель или звезда если

используется кабель типа витая пара В зависимости от типа используемого

кабеля скорость передачи данных лежит в диапазоне 10-100 Мбитс В

качестве метода доступа к среде передачи используется метод обнаружения

коллизий (CSMACD) Что касается формата кадра то в настоящее время на

практике используются 4 варианта кадров Ethernet отличающихся друг от

друга но все они согласуются с общими положениями изложенными ранее

Максимальный объем данных передаваемых в одном кадре (MTU) в

технологии Ethernet не может превышать 1500 байт

Помимо технологии Ethernet в настоящее время в локальных сетях широко

используются технологии AppleTalk FDDI и ATM В глобальных сетях

широко распространены технологии ATM FrameRelay ISDN и SMDS

Существует также ряд технологий использующихся для организации

беспроводных сетей Наиболее популярной технологией применяемой при

- 38 -

построении локальных сетей в настоящее время является технология

RadioEthernet Она предполагает передачу данных в двух УКВ-диапазонах

около 915 МГЦ и 2400-24835 МГц а также в инфракрасном спектре

Диапазон 915 МГц в России и Европе достаточно сильно загружен

средствами связи (сотовая телефония) поэтому он используется как

правило для организации сетей внутри зданий хотя технически позволяет

осуществлять передачу на значительные расстояния Это же ограничение

распространяется и на инфракрасный диапазон поскольку инфракрасные

лучи чувствительны к погодным условиям В зависимости от того какой

режим передачи используется сети RadioEthernet позволяют осуществлять

передачу данных со скоростью 2 - 10 Мбитс Технология RadioEthernet

предполагает построение сетей на базе топологий точка-точка и звезда В

качестве метода доступа используется метод предупреждения коллизий

(CSMACA)

Наряду с кабельными и беспроводными технологиями существуют также

технологии предполагающие комбинирование различных типов физической

среды передачи Обычно они применяются для построения асимметричных

сетей небольшие по объему запросы пользовательских компьютеров

передаются по кабельным каналам например с использованием телефонных

линий и модемов а прием осуществляется через спутниковый радиоканал

Объединение сетей на канальном уровне

Сложные сети в общем случае представляют собой совокупность

нескольких сетей Такие сети называются объединенными сетями

(internetwork)

Необходимость объединения сетей может быть вызвана разными причинами

Прежде всего это - преодоление технических ограничений среды передачи

например максимального расстояния передачи данных Кроме того

построение сети как объединенной позволяет повысить надежность (выход

из строя одной физической среды не влияет на работу остальных) и

обеспечить определенный уровень конфиденциальности (данные

передаваемые между компьютерами одной физической среды оказываются

недоступными компьютерам других сетей)

Для построения объединенных сетей требуются специальные устройства

которые позволяют подключать к себе две (или более) сети Наиболее

простым устройством такого вида является мост (bridge)

Мост

- 39 -

Принцип функционирования моста достаточно прост для подключения сетей

мост располагает несколькими портами с каждым из которых связываются

записи так называемой адресной таблицы содержащей список адресов

компьютеров сетей подключенных к мосту Когда мост получает кадр

данных то он передает его в сеть через порт который согласно таблице

соответствует адресу получателя В случае если адрес получателя не

обнаружен в адресной таблице то кадр передается во все сети Адресные

таблицы мостов как правило строятся на основе анализа кадров

передаваемых по сетям

Функции сетевого уровня

Сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе

различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне

достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети

но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети

с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это

объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

адресации определенных различными технологиями Поэтому для

обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства

представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую

абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых

технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого

уровня модели OSI

Очевидно что устройства этого уровня предназначенные для объединения

сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального

уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную

передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть

определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку

составной сети Процесс определения пути прохождения данных через

подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства

объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название

маршрутизаторов

- 40 -

Протокол IP

Протокол IP (Internet Protocol) входит в состав стека протоколов TCPIP и

является основным протоколом сетевого уровня использующимся в

Интернет и обеспечивающим единую схему логической адресации устройств

в сети и маршрутизацию данных

Для выполнения своих функций протокол определяет свой собственный

формат пакета Основными информационными полями заголовка пакета

являются

IP-адреса отправителя и получателя ndash предназначены для

идентификации отправителя и получателя (см IP-адресация)

Время жизни пакета (Time To Live TTL) - определяет время которое

IP-пакет может находиться в сети и предназначено для

предотвращения захламления сети заблудившимися пакетами

поля предназначенные для фрагментации пакетов (см IP-

фрагментация)

поля предназначенные для управления обработкой пакета (длина

пакета и заголовка контрольная сумма заголовка тип обслуживания и

тд)

Существует 5 классов IP-адресов ndash A B C D E Принадлежность IP-

адреса к тому или иному классу определяется значением первого

октета (W) Ниже показано соответствие значений первого октета и

классов адресов

Класс IP-адреса A B C D E

Диапазон первого

октета

1-

126

128-

191

192-

223

224-

239

240-

247

IP-адреса первых трех классов предназначены для адресации

отдельных узлов и отдельных сетей Такие адреса состоят из двух

частей ndash номера сети и номера узла Такая схема аналогична схеме

почтовых индексов ndash первые три цифры кодируют регион а остальные

ndash почтовое отделение внутри региона

Преимущества двухуровневой схемы очевидны она позволяет во-

первых адресовать целиком отдельные сети внутри составной сети

что необходимо для обеспечения маршрутизации а во-вторых ndash

присваивать узлам номера внутри одной сети независимо от других

сетей Естественно что компьютеры входящие в одну и ту же сеть

должны иметь IP-адреса с одинаковым номером сети

- 41 -

IP-Маршрутизация ndash процесс выбора пути для передачи пакета в сети Под

путем (маршрутом) понимается последовательность маршрутизаторов через

которые проходит пакет по пути к узлу-назначению IP-маршрутизатор ndash это

специальное устройство предназначенное для объединения сетей и

обеспечивающее определение пути прохождения пакетов в составной сети

Маршрутизатор должен иметь несколько IP-адресов с номерами сетей

соответствующими номерам объединяемых сетей

Как известно для разных сетевых технологий значение MTU определенное

для кадров данных может отличаться Поэтому при преобразовании кадров

на маршрутизаторе может потребоваться разделение вложенных в них IP-

пакетов на более мелкие пакеты

Для разделения пакетов на фрагменты модуль IP установленный на

маршрутизаторе создает на его основе некоторое число новых пакетов (в

соответствии с длиной исходного пакета и значения MTU для сети куда

должны быть переданы данные) Для того чтобы данные могли быть

правильно собраны получателем в заголовки новых IP-пакетов помещается

специальный числовой идентификатор позволяющий однозначно

определить что эти пакеты являются фрагментами одного большого пакета

Кроме того в заголовках также указывается положения фрагментов в

исходном пакете что позволяет обеспечить правильный порядок сборки

получателем

Вспомогательные протоколы сетевого уровня стека TCPIP

Главными функциями протокола IP является обеспечение единой схемы

адресации независимой от принципов адресации определяемых сетевыми

технологиями (адресацией канального уровня) а также передача данных по

составной сети (маршрутизация и фрагментация пакетов) Однако для

организации реального взаимодействия этого оказывается недостаточно -

существует еще ряд проблем

Первая проблема состоит в следующем Для того чтобы передать данные по

сети программное обеспечение протокола IP создает пакет и передает его

средствам канального уровня При этом средствам канального уровня для

формирования кадра данных необходим адрес получателя причем не

логический IP-адрес а MAC-адрес который может быть правильно опознан

сетевым адаптером принимающего компьютера Однако спецификацией

протокола IP не предусмотрен механизм позволяющий определять

соответствие между аппаратными и IP-адресами Эту функцию выполняет

вспомогательный протокол сетевого уровня ARP (Address Resolution

Protocol) входящий в семейство протоколов TCPIP

- 42 -

Другая серьезная проблема состоит в том что если при обработке IP-пакета

на маршрутизаторе возникли какие-то проблемы например истекло время

жизни пакета то отправитель о них не узнает поскольку механизм

обратной связи также не предусмотрен спецификацией протокола IP Для

решения этой проблемы используется специальный протокол сетевого

уровня ICMP (Internet Control Message Protocol) входящий в стек протоколов

TCPIP и обеспечивающий передачу управляющей информации и

информации об ошибках

В семействе протоколов TCPIP предусмотрен также ряд других

вспомогательных протоколов например протоколы динамической

маршрутизации обеспечивающие обмен информацией между

маршрутизаторами с целью автоматизации построения таблиц

маршрутизации

Транспортный уровень

Функции транспортного уровня

Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных между

устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд)

Однако не следует забывать что на одном узле может функционировать

параллельно несколько программ которым требуется доступ к сети

Следовательно данные внутри компьютерной системы должны

распределяться между программами Поэтому при передаче данных по сети

недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо также

идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является

отсутствие средств позволяющих передавать большие массивы данных

Когда исходные данные превышают максимально допустимый размер пакета

сетевого уровня то эти данные должны быть разбиты на порции каждая из

которых передается в сеть отдельным пакетом Однако каждый пакет

сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других блок

данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и

следовательно ndash обнаружить нарушение целостности общего массива

данных Поэтому средства транспортного уровня обеспечивают отсутствие

потерь информации Такой режим передачи данных получил название

гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой

- 43 -

функциональную надстройку над сетевым уровнем и решают две основных

задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

обеспечение гарантированной доставки массивов данных

произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash

UDP обеспечивающий негарантированную доставку данных между

программами и TCP обеспечивающий гарантированную доставку с

установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной

уровень

Компоненты четырех нижних уровней модели OSI (физического канального

сетевого и транспортного) представляют собой механизм обеспечивающий

доставку данных любого типа и произвольного объема между программами

работающими на разных узлах составной сети Однако при работе в сети

пользователям требуется не просто пересылка данных а выполнение каких-

либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех

возможностей которые предоставляют средства нижних уровней

недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо

просмотреть документ расположенный не на его локальном компьютере а

на удаленной машине Решение такой задачи предполагает как минимум

прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса

содержащего имя документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного

компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной

машины изменений вносимых в этот документ другими пользователями и

уведомление об этом пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав

пользователя на работу с документом что предполагает дополнительный

- 44 -

обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних

уровней не имеют средств позволяющих реализовать специфику такого

взаимодействия Поэтому для его организации требуются дополнительные

надстройки над средствами транспортного и нижележащих уровней В

эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный уровень

уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или

сессии) при длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое

(виртуальное) соединение между двумя программами в общем случае

функционирующими на разных компьютерах В простейшем случае

установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти

необходимых для приема и передачи данных После окончания передачи

данных происходит закрытие соединения предполагающее освобождение

выделенных ресурсов Во многих случаях этого недостаточно поэтому

сессионный уровень предлагает более сложные механизмы для организации

сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая

поддержка осуществляется путем периодической отправки специальных

тестовых пакетов при получении которых участник соединения должен

ответить Возвращаясь к предложенному выше примеру следует отметить

что установление соединения при работе с удаленным документом позволяет

один раз перед началом работы проверить права доступа пользователя а

также один раз передать запрос с именем файла В случае если бы

соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог

бы уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться

дополнительное преобразование Например это необходимо в случае если

взаимодействующие программы используют различные способы кодировки

текстовой информации или если для обеспечения защиты информации

требуется осуществлять шифрование данных Обеспечение подобных

промежуточных преобразований возложено на уровень представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными

уровнями Они позволяют осуществлять работу с различными

информационными ресурсами сети например файлами или сообщениями

электронной почты Естественно что различные типы ресурсов в общем

случае требуют различных методов обработки и в том числе методов

сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI

- 45 -

является прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции

работы с конкретными информационными объектами В предложенном выше

примере (чтение удаленного документа) к функциям прикладного протокола

относятся формирование запросов на получение документа проверка прав

доступа а также определение порядка пересылки файлов и уведомлений об

изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами

определяемых протоколами прикладного уровня часть функций сессионного

уровня и уровня представления может оказаться избыточной поэтому при

программной реализации три верхних уровня обычно объединяются

Page 24: - 3 - ВВЕДЕНИЕicm.muctr.ru/study/computers/inf001.pdf · 2016-08-25 · - 7 - А) Количество информации как мера уменьшения неопределенности

- 26 -

права доступа пользователя а также один раз передать запрос с именем файла В случае

если бы соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог бы

уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться дополнительное

преобразование Например это необходимо в случае если взаимодействующие

программы используют различные способы кодировки текстовой информации или если

для обеспечения защиты информации требуется осуществлять шифрование данных

Обеспечение подобных промежуточных преобразований возложено на уровень

представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными уровнями Они

позволяют осуществлять работу с различными информационными ресурсами сети

например файлами или сообщениями электронной почты Естественно что различные

типы ресурсов в общем случае требуют различных методов обработки и в том числе

методов сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI является

прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции работы с конкретными

информационными объектами В предложенном выше примере (чтение удаленного

документа) к функциям прикладного протокола относятся формирование запросов на

получение документа проверка прав доступа а также определение порядка пересылки

файлов и уведомлений об изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами определяемых

протоколами прикладного уровня часть функций сессионного уровня и уровня

представления может оказаться избыточной поэтому при программной реализации три

верхних уровня обычно объединяются

Модель сетевого взаимодействия

В 1984 году Международной Организацией по Стандартизации (International

Standard Organization ISO) была разработана модель взаимодействия

открытых систем (Open Systems Interconnection OSI) Модель представляет

собой международный стандарт для проектирования сетевых коммуникаций

и предполагает уровневый подход к построению сетей Каждый уровень

модели обслуживает различные этапы процесса взаимодействия

Посредством деления на уровни сетевая модель OSI упрощает совместную

работу оборудования и программного обеспечения Модель OSI разделяет

сетевые функции на семь уровней прикладной уровень представления

сессионный транспортный сетевой канальный и физический

Ниже дается краткая характеристика уровней модели

Физический уровень (Physical layer) определяет способ физического

соединения компьютеров в сети Функциями средств относящихся к

данному уровню являются побитовое преобразование цифровых

- 27 -

данных в сигналы передаваемые по физической среде (например по

кабелю) а также собственно передача сигналов

Канальный уровень(Data Link layer) отвечает за организацию передачи

данных между абонентами через физический уровень поэтому на

данном уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к обще линии связи В функции

данного уровня также входит упорядочивание передачи с целью

параллельного использования одной линии связи несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем

Сетевой уровень(Network layer) обеспечивает доставку данных между

компьютерами сети представляющей собой объединение различных

физических сетей Данный уровень предполагает наличие средств

логической адресации позволяющих однозначно идентифицировать

компьютер в объединенной сети Одной из главных функций

выполняемых средствами данного уровня является целенаправленная

передача данных конкретному получателю

Транспортный уровень(Transport layer) реализует передачу данных

между двумя программами функционирующими на разных

компьютерах обеспечивая при этом отсутствие потерь и дублирования

информации которые могут возникать в результате ошибок передачи

нижних уровней В случае если данные передаваемые через

транспортный уровень подвергаются фрагментации то средства

данного уровня гарантируют сборку фрагментов в правильном

порядке

Сессионный (или сеансовый) уровень (Session layer) позволяет двум

программам поддерживать продолжительное взаимодействие по сети

называемое сессией (session) или сеансом Этот уровень управляет

установлением сеанса обменом информацией и завершением сеанса

Он также отвечает за идентификацию позволяя тем самым только

определенным абонентам принимать участие в сеансе и обеспечивает

работу служб безопасности с целью упорядочивания доступа к

информации сессии

Уровень представления(Presentation layer) осуществляет

промежуточное преобразование данных исходящего сообщения в

общий формат который предусмотрен средствами нижних уровней а

также обратное преобразование входящих данных из общего формата в

формат понятный получающей программе

Прикладной уровень (Application layer) предоставляет

высокоуровневые функции сетевого взаимодействия такие как

передача файлов отправка сообщений по электронной почте и тп

Основные принципы уровневого взаимодействия

- 28 -

При уровневой организации процесса взаимодействия должны соблюдаться

следующие требования

компоненты одного уровня одной системы могут взаимодействовать с

компонентами только того же уровня другой системы

в рамках одной системы компоненты какого-либо уровня могут

взаимодействовать только с компонентами смежных (вышележащего и

нижележащего) уровней

Порядок уровневого взаимодействия

Набор правил определяющих порядок взаимодействия средств относящихся

к одному и тому же уровню и функционирующих в разных системах

называется протоколом (protocol) Правила взаимодействия между собой

средств относящихся к смежным уровням и функционирующих в одной

системе называются интерфейсом (interface)

Практическая реализация уровневого взаимодействия

На практике протоколы и интерфейсы регламентируют технические

требования предъявляемые к программным и аппаратным средствам

Программные (аппаратные) модули предназначенные для обеспечения

практического взаимодействия определяемого тем или иным протоколом

(или интерфейсом) обычно называют реализацией протокола (или

интерфейса)

Хотя различные компоненты относящиеся к различным уровням сетевой

модели формально должны быть функционально независимыми друг от

друга при практической разработке протоколов такая независимость не

всегда выдерживается Это объясняется тем что попытка добиться точного

соответствия эталонной модели может привести к неэффективности работы

программно-аппаратного обеспечения реализующего протокол В настоящее

время наблюдается два типа отклонений возникающих при реализации

уровневого взаимодействия

- 29 -

функции некоторых уровней могут объединяться одним протоколом и

наоборот ndash функции одного уровня могут делиться между различными

протоколами

функционирование протокола какого-либо уровня подразумевают

использование только определенных протоколов нижележащего

уровня

Поэтому разработка практических методов сетевого взаимодействия как

правило подразумевает разработку не отдельных протоколов а целых

наборов протоколов Такие наборы обычно включают в себя протоколы

относящиеся к нескольким смежным уровням эталонной модели OSI и

называются стеками (или семействами наборами) протоколов (protocol stack

protocol suite) Наиболее известным стеком протоколов обеспечивающим

взаимодействие в сети Интернет является стек протоколов TCPIP

Физический уровень

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Среда передачи

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Физический уровень определяет способ физического соединения

компьютеров в сети Основными функциями средств относящихся к

данному уровню является побитовое преобразование цифровых данных в

сигналы среды передачи а также собственно передача сигналов по

физической среде

Кабельные системы

- 30 -

Кабель (cable) используемый для построения компьютерных сетей

представляет собой сложную конструкцию состоящую в общем случае из

проводников изолирующих и экранирующих слоев В современных сетях

используются три типа кабеля

Еще одним важным понятием физического уровня является способ

соединения компьютеров с помощью физической среды или топология сети

Если сеть состоит всего из двух компьютеров то они соединяются

напрямую Такой способ соединения получил название точка-точка

(point-to-point)

Соединение типа точка-точка

Для обеспечения связи более чем двух компьютеров может использоваться

последовательность соединений типа точка-точка

Последовательность соединений типа точка-точка

Однако такой подход требует установки на большую часть компьютеров

нескольких устройств передачи данных

В качестве альтернативного подхода возможно использование более

сложных топологий позволяющих подключить к общей среде сразу

несколько компьютеров имеющих по одному устройству передачи данных

- 31 -

Выделяют три базовые топологии Шина (bus) Кольцо (ring)

Звезда(star)

Топология laquoШинаraquo

Топология Шина

Эта топология использует один передающий канал на базе коаксиального

кабеля называемый шиной Все сетевые компьютеры присоединяются

напрямую к шине На концах кабеля-шины устанавливаются специальные

заглушки - терминаторы (terminator) Они необходимы для того чтобы

погасить сигнал после прохождения по шине К недостаткам топологии

Шина следует отнести следующее

данные предаваемые по кабелю доступны всем подключенным

компьютерам

в случае повреждения шины вся сеть перестает функционировать

Топология laquoКольцоraquo

Топология Кольцо

Для топологии кольцо характерно отсутствие конечных точек соединения

сеть замкнута образуя неразрывное кольцо по которому передаются данные

Эта топология подразумевает следующий механизм передачи данные

передаются последовательно от одного компьютера к другому пока не

- 32 -

достигнут компьютера-получателя Недостатки топологии кольцо те же то

и у топологии шина

общедоступность данных

неустойчивость к повреждениям кабельной системы

Топология laquoЗвездаraquo

Топология Звезда

В сети с топологией звезда все компьютеры соединены со специальным

устройством называемым сетевым концентратором или хабом (hub)

который выполняет функции распределения данных Прямые соединения

двух компьютеров в сети отсутствуют Благодаря этому имеется

возможность решения проблемы общедоступности данных а также

повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы Однако

функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора

Физическая и логическая топологии

Следует отметить что термин топология может употребляться для

обозначения двух понятий ndash физической топологии и логической топологии

Физическая топология ndash способ физического соединения компьютеров с

помощью среды передачи например участками кабеля Логическая

топология определяет маршруты передачи данных в сети Во многих

случаях физическая топология однозначно определяет логическую

топологию Однако существуют такие конфигурации в которых логическая

топология отличается от физической Например сеть с физической

- 33 -

топологией laquoзвездаraquo может иметь логическую топологию laquoшинаraquo ndash все

зависит от того каким образом устроен сетевой концентратор

Кодированиедекодирование данных Как известно данные обрабатываемые

компьютером представляются в двоичном виде - как последовательность

нулей и единиц Однако понятия нуль и единица являются логическими

понятиями обозначающими электрические сигналы отличающиеся друг от

друга физическими параметрами и использующиеся для представления

информации в различных устройствах например оперативной памяти или

центральном процессоре В силу различных технических причин эти сигналы

не всегда могут передаваться по физическим каналам связи Поэтому они

должны быть преобразованы Процесс преобразования сигналов удобных

для компьютера в сигналы которые могут быть переданы по сети

называется физическим кодированием а обратное преобразование -

декодированием

Передача сигналов Информационные сигналы передаются по физическим

линиям связи последовательно В случае если между передающей и

принимающей сторонами параллельно существуют более одной линии

например проложено несколько кабелей то оказывается возможным

одновременно (параллельно) передавать несколько сигналов Если эти

сигналы представляют различные биты передаваемых данных то

повышается скорость информационного обмена Если же сигналы

представляют один и тот же бит данных - то повышается надежность

взаимодействия

Канальный уровень

Канальный уровень отвечает за организацию передачи данных

между абонентами через физический уровень поэтому на данном

уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к общему физическому

каналу В функции данного уровня также входит упорядочивание

передачи с целью обеспечения возможности параллельного

использования одного физического канала несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем Большинство функций канального уровня

выполняются устройствами передачи данных (например сетевым

- 34 -

адаптером)

Метод коммутации

дной из центральных проблем организации передачи данных по физическим

каналам является проблема параллельного использования одного и того же

канала несколькими парами абонентов Методы лежащие в основе ее

решения получили название методов коммутации

В настоящее время существует два основных метода коммутации

коммутация каналов и коммутация пакетов

Коммутация каналов предполагает что перед началом передачи данных

должна быть выполнена процедура установления соединения в результате

которой образуется составной канал По окончании сеанса связи соединение

разрывается и канал освобождается Классическим примером реализации

коммутации каналов является телефонная связь которая подразумевает что

абонент перед началом разговора набирает номер второго абонента в

результате чего последовательное переключение промежуточных

коммутаторов позволяет образовать непрерывный канал связи между

абонентами Коммутация каналов удобна для организации линий связи в

которых подразумевается передача потоков данных постоянной

интенсивности например таких как телефонный разговор в силу чего этот

метод оказывается недостаточно гибким при построении компьютерных

сетей

Метод коммутации пакетов основан на разбиении передаваемых по сети

данных на небольшие порции Каждая такая порция передается по сети

как единое целое и называется пакетом Такой метод является очень

удобным для параллельного использования физического канала несколькими

парами абонентов канал является занятым только во время прохождения

пакета Временные промежутки между передачей пакетов одним абонентам

могут быть использованы другими для отправки собственных пакетов

Пакет обычно состоит из двух частей ndash заголовка содержащего служебные

данные необходимые для управления доставкой пакета и собственно

данных подлежащих передаче Порядок обмена пакетами а также

конкретный состав заголовка пакетов определяется сетевым протоколом

Для именования пакетов различных уровней модели OSI используются

специальные термины Для канального уровня используется термин кадр

для сетевого ndash пакет для транспортного ndash сегмент дейтаграмма для

сессионного и более высоких уровней ndash сообщение

- 35 -

Протоколы канального уровня

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена

способ представления информации а также необходимый набор правил

позволяющий упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток

битов Перед передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с

принципом пакетной коммутации разделяется на порции каждая из

которых снабжается заголовком содержащим некоторую служебную

информацию те формируется пакет На канальном уровне пакет называется

кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает

протокол Сложность канальных протоколов во многом определяется

сложностью топологии сети Очевидно что организовать общение всего двух

абонентов существенно проще чем упорядочивать информационный обмен в

сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких пар

абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Структура кадра данных

Состав заголовка кадра зависит от многих факторов определяемых набором

функций которые выполняет протокол Тем не менее можно выделить ряд

информационных полей которые обычно присутствуют в заголовке кадра К

таким полям относятся

1 Специальные поля предназначенные для определения границ кадров

Поскольку в физической среде могут постоянно проходить какие-либо

сигналы то сетевые адаптеры должны уметь разбираться в том когда

начинается передача кадра и когда она заканчивается

2 Поле предназначенное для определения протокола сетевого уровня

которому необходимо передать данные Так как на одном компьютере могут

функционировать программные модули различных протоколов сетевого

уровня то протоколы канального уровня должны уметь распределять данные

по этим протоколам

3 Контрольная сумма (или специальный код) содержимого кадра которая

позволяет принимающей стороне определить наличие ошибок в принятых

данных Принцип ее использования состоит в следующем Сетевой адаптер

отправляющего компьютера после формирования кадра вычисляет значение

- 36 -

его контрольной суммы на основе содержимого и помещает это значение в

заголовок кадра Принимающая сторона также вычисляет контрольную

сумму полученного кадра и сравнивает его со значением помещенным в

заголовке Если они не совпадают то это означает что во время передачи

кадра произошла ошибка

4 Поля предназначенные для адресации абонентов в сложных сетях

(определены для протоколов применяемых в сетях базирующихся на

сложных топологиях)

Обобщенная структура кадра данных

Протоколы для сетей сложных топологий

Протоколы канального уровня этой группы являются более сложными чем

протоколы использующиеся в сетях типа точка-точка так как вынуждены

выполнять ряд дополнительных функций Основными функциями являются

Выделение на всем множестве компьютеров подключенных к сети

конкретного абонента с которым осуществляется информационный обмен

то есть адресация

Адресация абонентов

Упорядочивание доступа к среде передачи в случае когда нескольким парам

абонентов требуется осуществить передачу данных

Для обеспечения адресации абонентов в заголовке кадров должны

присутствовать следующие поля

- 37 -

1 Адрес отправителя ndash некоторое число (или набор чисел) позволяющее

идентифицировать сетевой адаптер (а следовательно и компьютер в

котором она установлена) который осуществил передачу кадра данных в

сеть Адреса присваиваются сетевым адаптерам на заводе-изготовителе и

как правило не изменяются в дальнейшем хотя большинство современных

адаптеров позволяют перепрограммировать сетевой адрес

Протоколы канального уровня и сетевые технологии

Функциональный состав того или иного протокола канального уровня во

многом определяется особенностями физического уровня например

топологией сети или типом среды передачи Поэтому при проектировании

сетевого взаимодействия используются и разрабатываются комплексные

стандарты получившие название сетевых технологий

Сетевая технология ndash это набор стандартов определяющий минимальный

состав программно-аппаратных средств достаточный для организации

взаимодействия компьютеров в сети Как правило сетевая технология

определяет топологию сети а также протокол канального уровня (формат

кадра порядок обмена кадрами MTU)

В настоящее время существует большое количество сетевых технологий и

соответственно определяемых ими протоколов канального уровня

Рассмотрим для примера одну из наиболее популярных в настоящее время

технологий ndash технологию локальных сетей Ethernet Эта технология

предполагает что сеть должна строиться на основе физических топологий

шина если используется коаксиальный кабель или звезда если

используется кабель типа витая пара В зависимости от типа используемого

кабеля скорость передачи данных лежит в диапазоне 10-100 Мбитс В

качестве метода доступа к среде передачи используется метод обнаружения

коллизий (CSMACD) Что касается формата кадра то в настоящее время на

практике используются 4 варианта кадров Ethernet отличающихся друг от

друга но все они согласуются с общими положениями изложенными ранее

Максимальный объем данных передаваемых в одном кадре (MTU) в

технологии Ethernet не может превышать 1500 байт

Помимо технологии Ethernet в настоящее время в локальных сетях широко

используются технологии AppleTalk FDDI и ATM В глобальных сетях

широко распространены технологии ATM FrameRelay ISDN и SMDS

Существует также ряд технологий использующихся для организации

беспроводных сетей Наиболее популярной технологией применяемой при

- 38 -

построении локальных сетей в настоящее время является технология

RadioEthernet Она предполагает передачу данных в двух УКВ-диапазонах

около 915 МГЦ и 2400-24835 МГц а также в инфракрасном спектре

Диапазон 915 МГц в России и Европе достаточно сильно загружен

средствами связи (сотовая телефония) поэтому он используется как

правило для организации сетей внутри зданий хотя технически позволяет

осуществлять передачу на значительные расстояния Это же ограничение

распространяется и на инфракрасный диапазон поскольку инфракрасные

лучи чувствительны к погодным условиям В зависимости от того какой

режим передачи используется сети RadioEthernet позволяют осуществлять

передачу данных со скоростью 2 - 10 Мбитс Технология RadioEthernet

предполагает построение сетей на базе топологий точка-точка и звезда В

качестве метода доступа используется метод предупреждения коллизий

(CSMACA)

Наряду с кабельными и беспроводными технологиями существуют также

технологии предполагающие комбинирование различных типов физической

среды передачи Обычно они применяются для построения асимметричных

сетей небольшие по объему запросы пользовательских компьютеров

передаются по кабельным каналам например с использованием телефонных

линий и модемов а прием осуществляется через спутниковый радиоканал

Объединение сетей на канальном уровне

Сложные сети в общем случае представляют собой совокупность

нескольких сетей Такие сети называются объединенными сетями

(internetwork)

Необходимость объединения сетей может быть вызвана разными причинами

Прежде всего это - преодоление технических ограничений среды передачи

например максимального расстояния передачи данных Кроме того

построение сети как объединенной позволяет повысить надежность (выход

из строя одной физической среды не влияет на работу остальных) и

обеспечить определенный уровень конфиденциальности (данные

передаваемые между компьютерами одной физической среды оказываются

недоступными компьютерам других сетей)

Для построения объединенных сетей требуются специальные устройства

которые позволяют подключать к себе две (или более) сети Наиболее

простым устройством такого вида является мост (bridge)

Мост

- 39 -

Принцип функционирования моста достаточно прост для подключения сетей

мост располагает несколькими портами с каждым из которых связываются

записи так называемой адресной таблицы содержащей список адресов

компьютеров сетей подключенных к мосту Когда мост получает кадр

данных то он передает его в сеть через порт который согласно таблице

соответствует адресу получателя В случае если адрес получателя не

обнаружен в адресной таблице то кадр передается во все сети Адресные

таблицы мостов как правило строятся на основе анализа кадров

передаваемых по сетям

Функции сетевого уровня

Сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе

различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне

достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети

но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети

с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это

объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

адресации определенных различными технологиями Поэтому для

обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства

представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую

абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых

технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого

уровня модели OSI

Очевидно что устройства этого уровня предназначенные для объединения

сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального

уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную

передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть

определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку

составной сети Процесс определения пути прохождения данных через

подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства

объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название

маршрутизаторов

- 40 -

Протокол IP

Протокол IP (Internet Protocol) входит в состав стека протоколов TCPIP и

является основным протоколом сетевого уровня использующимся в

Интернет и обеспечивающим единую схему логической адресации устройств

в сети и маршрутизацию данных

Для выполнения своих функций протокол определяет свой собственный

формат пакета Основными информационными полями заголовка пакета

являются

IP-адреса отправителя и получателя ndash предназначены для

идентификации отправителя и получателя (см IP-адресация)

Время жизни пакета (Time To Live TTL) - определяет время которое

IP-пакет может находиться в сети и предназначено для

предотвращения захламления сети заблудившимися пакетами

поля предназначенные для фрагментации пакетов (см IP-

фрагментация)

поля предназначенные для управления обработкой пакета (длина

пакета и заголовка контрольная сумма заголовка тип обслуживания и

тд)

Существует 5 классов IP-адресов ndash A B C D E Принадлежность IP-

адреса к тому или иному классу определяется значением первого

октета (W) Ниже показано соответствие значений первого октета и

классов адресов

Класс IP-адреса A B C D E

Диапазон первого

октета

1-

126

128-

191

192-

223

224-

239

240-

247

IP-адреса первых трех классов предназначены для адресации

отдельных узлов и отдельных сетей Такие адреса состоят из двух

частей ndash номера сети и номера узла Такая схема аналогична схеме

почтовых индексов ndash первые три цифры кодируют регион а остальные

ndash почтовое отделение внутри региона

Преимущества двухуровневой схемы очевидны она позволяет во-

первых адресовать целиком отдельные сети внутри составной сети

что необходимо для обеспечения маршрутизации а во-вторых ndash

присваивать узлам номера внутри одной сети независимо от других

сетей Естественно что компьютеры входящие в одну и ту же сеть

должны иметь IP-адреса с одинаковым номером сети

- 41 -

IP-Маршрутизация ndash процесс выбора пути для передачи пакета в сети Под

путем (маршрутом) понимается последовательность маршрутизаторов через

которые проходит пакет по пути к узлу-назначению IP-маршрутизатор ndash это

специальное устройство предназначенное для объединения сетей и

обеспечивающее определение пути прохождения пакетов в составной сети

Маршрутизатор должен иметь несколько IP-адресов с номерами сетей

соответствующими номерам объединяемых сетей

Как известно для разных сетевых технологий значение MTU определенное

для кадров данных может отличаться Поэтому при преобразовании кадров

на маршрутизаторе может потребоваться разделение вложенных в них IP-

пакетов на более мелкие пакеты

Для разделения пакетов на фрагменты модуль IP установленный на

маршрутизаторе создает на его основе некоторое число новых пакетов (в

соответствии с длиной исходного пакета и значения MTU для сети куда

должны быть переданы данные) Для того чтобы данные могли быть

правильно собраны получателем в заголовки новых IP-пакетов помещается

специальный числовой идентификатор позволяющий однозначно

определить что эти пакеты являются фрагментами одного большого пакета

Кроме того в заголовках также указывается положения фрагментов в

исходном пакете что позволяет обеспечить правильный порядок сборки

получателем

Вспомогательные протоколы сетевого уровня стека TCPIP

Главными функциями протокола IP является обеспечение единой схемы

адресации независимой от принципов адресации определяемых сетевыми

технологиями (адресацией канального уровня) а также передача данных по

составной сети (маршрутизация и фрагментация пакетов) Однако для

организации реального взаимодействия этого оказывается недостаточно -

существует еще ряд проблем

Первая проблема состоит в следующем Для того чтобы передать данные по

сети программное обеспечение протокола IP создает пакет и передает его

средствам канального уровня При этом средствам канального уровня для

формирования кадра данных необходим адрес получателя причем не

логический IP-адрес а MAC-адрес который может быть правильно опознан

сетевым адаптером принимающего компьютера Однако спецификацией

протокола IP не предусмотрен механизм позволяющий определять

соответствие между аппаратными и IP-адресами Эту функцию выполняет

вспомогательный протокол сетевого уровня ARP (Address Resolution

Protocol) входящий в семейство протоколов TCPIP

- 42 -

Другая серьезная проблема состоит в том что если при обработке IP-пакета

на маршрутизаторе возникли какие-то проблемы например истекло время

жизни пакета то отправитель о них не узнает поскольку механизм

обратной связи также не предусмотрен спецификацией протокола IP Для

решения этой проблемы используется специальный протокол сетевого

уровня ICMP (Internet Control Message Protocol) входящий в стек протоколов

TCPIP и обеспечивающий передачу управляющей информации и

информации об ошибках

В семействе протоколов TCPIP предусмотрен также ряд других

вспомогательных протоколов например протоколы динамической

маршрутизации обеспечивающие обмен информацией между

маршрутизаторами с целью автоматизации построения таблиц

маршрутизации

Транспортный уровень

Функции транспортного уровня

Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных между

устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд)

Однако не следует забывать что на одном узле может функционировать

параллельно несколько программ которым требуется доступ к сети

Следовательно данные внутри компьютерной системы должны

распределяться между программами Поэтому при передаче данных по сети

недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо также

идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является

отсутствие средств позволяющих передавать большие массивы данных

Когда исходные данные превышают максимально допустимый размер пакета

сетевого уровня то эти данные должны быть разбиты на порции каждая из

которых передается в сеть отдельным пакетом Однако каждый пакет

сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других блок

данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и

следовательно ndash обнаружить нарушение целостности общего массива

данных Поэтому средства транспортного уровня обеспечивают отсутствие

потерь информации Такой режим передачи данных получил название

гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой

- 43 -

функциональную надстройку над сетевым уровнем и решают две основных

задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

обеспечение гарантированной доставки массивов данных

произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash

UDP обеспечивающий негарантированную доставку данных между

программами и TCP обеспечивающий гарантированную доставку с

установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной

уровень

Компоненты четырех нижних уровней модели OSI (физического канального

сетевого и транспортного) представляют собой механизм обеспечивающий

доставку данных любого типа и произвольного объема между программами

работающими на разных узлах составной сети Однако при работе в сети

пользователям требуется не просто пересылка данных а выполнение каких-

либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех

возможностей которые предоставляют средства нижних уровней

недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо

просмотреть документ расположенный не на его локальном компьютере а

на удаленной машине Решение такой задачи предполагает как минимум

прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса

содержащего имя документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного

компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной

машины изменений вносимых в этот документ другими пользователями и

уведомление об этом пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав

пользователя на работу с документом что предполагает дополнительный

- 44 -

обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних

уровней не имеют средств позволяющих реализовать специфику такого

взаимодействия Поэтому для его организации требуются дополнительные

надстройки над средствами транспортного и нижележащих уровней В

эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный уровень

уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или

сессии) при длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое

(виртуальное) соединение между двумя программами в общем случае

функционирующими на разных компьютерах В простейшем случае

установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти

необходимых для приема и передачи данных После окончания передачи

данных происходит закрытие соединения предполагающее освобождение

выделенных ресурсов Во многих случаях этого недостаточно поэтому

сессионный уровень предлагает более сложные механизмы для организации

сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая

поддержка осуществляется путем периодической отправки специальных

тестовых пакетов при получении которых участник соединения должен

ответить Возвращаясь к предложенному выше примеру следует отметить

что установление соединения при работе с удаленным документом позволяет

один раз перед началом работы проверить права доступа пользователя а

также один раз передать запрос с именем файла В случае если бы

соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог

бы уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться

дополнительное преобразование Например это необходимо в случае если

взаимодействующие программы используют различные способы кодировки

текстовой информации или если для обеспечения защиты информации

требуется осуществлять шифрование данных Обеспечение подобных

промежуточных преобразований возложено на уровень представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными

уровнями Они позволяют осуществлять работу с различными

информационными ресурсами сети например файлами или сообщениями

электронной почты Естественно что различные типы ресурсов в общем

случае требуют различных методов обработки и в том числе методов

сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI

- 45 -

является прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции

работы с конкретными информационными объектами В предложенном выше

примере (чтение удаленного документа) к функциям прикладного протокола

относятся формирование запросов на получение документа проверка прав

доступа а также определение порядка пересылки файлов и уведомлений об

изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами

определяемых протоколами прикладного уровня часть функций сессионного

уровня и уровня представления может оказаться избыточной поэтому при

программной реализации три верхних уровня обычно объединяются

Page 25: - 3 - ВВЕДЕНИЕicm.muctr.ru/study/computers/inf001.pdf · 2016-08-25 · - 7 - А) Количество информации как мера уменьшения неопределенности

- 27 -

данных в сигналы передаваемые по физической среде (например по

кабелю) а также собственно передача сигналов

Канальный уровень(Data Link layer) отвечает за организацию передачи

данных между абонентами через физический уровень поэтому на

данном уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к обще линии связи В функции

данного уровня также входит упорядочивание передачи с целью

параллельного использования одной линии связи несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем

Сетевой уровень(Network layer) обеспечивает доставку данных между

компьютерами сети представляющей собой объединение различных

физических сетей Данный уровень предполагает наличие средств

логической адресации позволяющих однозначно идентифицировать

компьютер в объединенной сети Одной из главных функций

выполняемых средствами данного уровня является целенаправленная

передача данных конкретному получателю

Транспортный уровень(Transport layer) реализует передачу данных

между двумя программами функционирующими на разных

компьютерах обеспечивая при этом отсутствие потерь и дублирования

информации которые могут возникать в результате ошибок передачи

нижних уровней В случае если данные передаваемые через

транспортный уровень подвергаются фрагментации то средства

данного уровня гарантируют сборку фрагментов в правильном

порядке

Сессионный (или сеансовый) уровень (Session layer) позволяет двум

программам поддерживать продолжительное взаимодействие по сети

называемое сессией (session) или сеансом Этот уровень управляет

установлением сеанса обменом информацией и завершением сеанса

Он также отвечает за идентификацию позволяя тем самым только

определенным абонентам принимать участие в сеансе и обеспечивает

работу служб безопасности с целью упорядочивания доступа к

информации сессии

Уровень представления(Presentation layer) осуществляет

промежуточное преобразование данных исходящего сообщения в

общий формат который предусмотрен средствами нижних уровней а

также обратное преобразование входящих данных из общего формата в

формат понятный получающей программе

Прикладной уровень (Application layer) предоставляет

высокоуровневые функции сетевого взаимодействия такие как

передача файлов отправка сообщений по электронной почте и тп

Основные принципы уровневого взаимодействия

- 28 -

При уровневой организации процесса взаимодействия должны соблюдаться

следующие требования

компоненты одного уровня одной системы могут взаимодействовать с

компонентами только того же уровня другой системы

в рамках одной системы компоненты какого-либо уровня могут

взаимодействовать только с компонентами смежных (вышележащего и

нижележащего) уровней

Порядок уровневого взаимодействия

Набор правил определяющих порядок взаимодействия средств относящихся

к одному и тому же уровню и функционирующих в разных системах

называется протоколом (protocol) Правила взаимодействия между собой

средств относящихся к смежным уровням и функционирующих в одной

системе называются интерфейсом (interface)

Практическая реализация уровневого взаимодействия

На практике протоколы и интерфейсы регламентируют технические

требования предъявляемые к программным и аппаратным средствам

Программные (аппаратные) модули предназначенные для обеспечения

практического взаимодействия определяемого тем или иным протоколом

(или интерфейсом) обычно называют реализацией протокола (или

интерфейса)

Хотя различные компоненты относящиеся к различным уровням сетевой

модели формально должны быть функционально независимыми друг от

друга при практической разработке протоколов такая независимость не

всегда выдерживается Это объясняется тем что попытка добиться точного

соответствия эталонной модели может привести к неэффективности работы

программно-аппаратного обеспечения реализующего протокол В настоящее

время наблюдается два типа отклонений возникающих при реализации

уровневого взаимодействия

- 29 -

функции некоторых уровней могут объединяться одним протоколом и

наоборот ndash функции одного уровня могут делиться между различными

протоколами

функционирование протокола какого-либо уровня подразумевают

использование только определенных протоколов нижележащего

уровня

Поэтому разработка практических методов сетевого взаимодействия как

правило подразумевает разработку не отдельных протоколов а целых

наборов протоколов Такие наборы обычно включают в себя протоколы

относящиеся к нескольким смежным уровням эталонной модели OSI и

называются стеками (или семействами наборами) протоколов (protocol stack

protocol suite) Наиболее известным стеком протоколов обеспечивающим

взаимодействие в сети Интернет является стек протоколов TCPIP

Физический уровень

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Среда передачи

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Физический уровень определяет способ физического соединения

компьютеров в сети Основными функциями средств относящихся к

данному уровню является побитовое преобразование цифровых данных в

сигналы среды передачи а также собственно передача сигналов по

физической среде

Кабельные системы

- 30 -

Кабель (cable) используемый для построения компьютерных сетей

представляет собой сложную конструкцию состоящую в общем случае из

проводников изолирующих и экранирующих слоев В современных сетях

используются три типа кабеля

Еще одним важным понятием физического уровня является способ

соединения компьютеров с помощью физической среды или топология сети

Если сеть состоит всего из двух компьютеров то они соединяются

напрямую Такой способ соединения получил название точка-точка

(point-to-point)

Соединение типа точка-точка

Для обеспечения связи более чем двух компьютеров может использоваться

последовательность соединений типа точка-точка

Последовательность соединений типа точка-точка

Однако такой подход требует установки на большую часть компьютеров

нескольких устройств передачи данных

В качестве альтернативного подхода возможно использование более

сложных топологий позволяющих подключить к общей среде сразу

несколько компьютеров имеющих по одному устройству передачи данных

- 31 -

Выделяют три базовые топологии Шина (bus) Кольцо (ring)

Звезда(star)

Топология laquoШинаraquo

Топология Шина

Эта топология использует один передающий канал на базе коаксиального

кабеля называемый шиной Все сетевые компьютеры присоединяются

напрямую к шине На концах кабеля-шины устанавливаются специальные

заглушки - терминаторы (terminator) Они необходимы для того чтобы

погасить сигнал после прохождения по шине К недостаткам топологии

Шина следует отнести следующее

данные предаваемые по кабелю доступны всем подключенным

компьютерам

в случае повреждения шины вся сеть перестает функционировать

Топология laquoКольцоraquo

Топология Кольцо

Для топологии кольцо характерно отсутствие конечных точек соединения

сеть замкнута образуя неразрывное кольцо по которому передаются данные

Эта топология подразумевает следующий механизм передачи данные

передаются последовательно от одного компьютера к другому пока не

- 32 -

достигнут компьютера-получателя Недостатки топологии кольцо те же то

и у топологии шина

общедоступность данных

неустойчивость к повреждениям кабельной системы

Топология laquoЗвездаraquo

Топология Звезда

В сети с топологией звезда все компьютеры соединены со специальным

устройством называемым сетевым концентратором или хабом (hub)

который выполняет функции распределения данных Прямые соединения

двух компьютеров в сети отсутствуют Благодаря этому имеется

возможность решения проблемы общедоступности данных а также

повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы Однако

функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора

Физическая и логическая топологии

Следует отметить что термин топология может употребляться для

обозначения двух понятий ndash физической топологии и логической топологии

Физическая топология ndash способ физического соединения компьютеров с

помощью среды передачи например участками кабеля Логическая

топология определяет маршруты передачи данных в сети Во многих

случаях физическая топология однозначно определяет логическую

топологию Однако существуют такие конфигурации в которых логическая

топология отличается от физической Например сеть с физической

- 33 -

топологией laquoзвездаraquo может иметь логическую топологию laquoшинаraquo ndash все

зависит от того каким образом устроен сетевой концентратор

Кодированиедекодирование данных Как известно данные обрабатываемые

компьютером представляются в двоичном виде - как последовательность

нулей и единиц Однако понятия нуль и единица являются логическими

понятиями обозначающими электрические сигналы отличающиеся друг от

друга физическими параметрами и использующиеся для представления

информации в различных устройствах например оперативной памяти или

центральном процессоре В силу различных технических причин эти сигналы

не всегда могут передаваться по физическим каналам связи Поэтому они

должны быть преобразованы Процесс преобразования сигналов удобных

для компьютера в сигналы которые могут быть переданы по сети

называется физическим кодированием а обратное преобразование -

декодированием

Передача сигналов Информационные сигналы передаются по физическим

линиям связи последовательно В случае если между передающей и

принимающей сторонами параллельно существуют более одной линии

например проложено несколько кабелей то оказывается возможным

одновременно (параллельно) передавать несколько сигналов Если эти

сигналы представляют различные биты передаваемых данных то

повышается скорость информационного обмена Если же сигналы

представляют один и тот же бит данных - то повышается надежность

взаимодействия

Канальный уровень

Канальный уровень отвечает за организацию передачи данных

между абонентами через физический уровень поэтому на данном

уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к общему физическому

каналу В функции данного уровня также входит упорядочивание

передачи с целью обеспечения возможности параллельного

использования одного физического канала несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем Большинство функций канального уровня

выполняются устройствами передачи данных (например сетевым

- 34 -

адаптером)

Метод коммутации

дной из центральных проблем организации передачи данных по физическим

каналам является проблема параллельного использования одного и того же

канала несколькими парами абонентов Методы лежащие в основе ее

решения получили название методов коммутации

В настоящее время существует два основных метода коммутации

коммутация каналов и коммутация пакетов

Коммутация каналов предполагает что перед началом передачи данных

должна быть выполнена процедура установления соединения в результате

которой образуется составной канал По окончании сеанса связи соединение

разрывается и канал освобождается Классическим примером реализации

коммутации каналов является телефонная связь которая подразумевает что

абонент перед началом разговора набирает номер второго абонента в

результате чего последовательное переключение промежуточных

коммутаторов позволяет образовать непрерывный канал связи между

абонентами Коммутация каналов удобна для организации линий связи в

которых подразумевается передача потоков данных постоянной

интенсивности например таких как телефонный разговор в силу чего этот

метод оказывается недостаточно гибким при построении компьютерных

сетей

Метод коммутации пакетов основан на разбиении передаваемых по сети

данных на небольшие порции Каждая такая порция передается по сети

как единое целое и называется пакетом Такой метод является очень

удобным для параллельного использования физического канала несколькими

парами абонентов канал является занятым только во время прохождения

пакета Временные промежутки между передачей пакетов одним абонентам

могут быть использованы другими для отправки собственных пакетов

Пакет обычно состоит из двух частей ndash заголовка содержащего служебные

данные необходимые для управления доставкой пакета и собственно

данных подлежащих передаче Порядок обмена пакетами а также

конкретный состав заголовка пакетов определяется сетевым протоколом

Для именования пакетов различных уровней модели OSI используются

специальные термины Для канального уровня используется термин кадр

для сетевого ndash пакет для транспортного ndash сегмент дейтаграмма для

сессионного и более высоких уровней ndash сообщение

- 35 -

Протоколы канального уровня

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена

способ представления информации а также необходимый набор правил

позволяющий упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток

битов Перед передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с

принципом пакетной коммутации разделяется на порции каждая из

которых снабжается заголовком содержащим некоторую служебную

информацию те формируется пакет На канальном уровне пакет называется

кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает

протокол Сложность канальных протоколов во многом определяется

сложностью топологии сети Очевидно что организовать общение всего двух

абонентов существенно проще чем упорядочивать информационный обмен в

сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких пар

абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Структура кадра данных

Состав заголовка кадра зависит от многих факторов определяемых набором

функций которые выполняет протокол Тем не менее можно выделить ряд

информационных полей которые обычно присутствуют в заголовке кадра К

таким полям относятся

1 Специальные поля предназначенные для определения границ кадров

Поскольку в физической среде могут постоянно проходить какие-либо

сигналы то сетевые адаптеры должны уметь разбираться в том когда

начинается передача кадра и когда она заканчивается

2 Поле предназначенное для определения протокола сетевого уровня

которому необходимо передать данные Так как на одном компьютере могут

функционировать программные модули различных протоколов сетевого

уровня то протоколы канального уровня должны уметь распределять данные

по этим протоколам

3 Контрольная сумма (или специальный код) содержимого кадра которая

позволяет принимающей стороне определить наличие ошибок в принятых

данных Принцип ее использования состоит в следующем Сетевой адаптер

отправляющего компьютера после формирования кадра вычисляет значение

- 36 -

его контрольной суммы на основе содержимого и помещает это значение в

заголовок кадра Принимающая сторона также вычисляет контрольную

сумму полученного кадра и сравнивает его со значением помещенным в

заголовке Если они не совпадают то это означает что во время передачи

кадра произошла ошибка

4 Поля предназначенные для адресации абонентов в сложных сетях

(определены для протоколов применяемых в сетях базирующихся на

сложных топологиях)

Обобщенная структура кадра данных

Протоколы для сетей сложных топологий

Протоколы канального уровня этой группы являются более сложными чем

протоколы использующиеся в сетях типа точка-точка так как вынуждены

выполнять ряд дополнительных функций Основными функциями являются

Выделение на всем множестве компьютеров подключенных к сети

конкретного абонента с которым осуществляется информационный обмен

то есть адресация

Адресация абонентов

Упорядочивание доступа к среде передачи в случае когда нескольким парам

абонентов требуется осуществить передачу данных

Для обеспечения адресации абонентов в заголовке кадров должны

присутствовать следующие поля

- 37 -

1 Адрес отправителя ndash некоторое число (или набор чисел) позволяющее

идентифицировать сетевой адаптер (а следовательно и компьютер в

котором она установлена) который осуществил передачу кадра данных в

сеть Адреса присваиваются сетевым адаптерам на заводе-изготовителе и

как правило не изменяются в дальнейшем хотя большинство современных

адаптеров позволяют перепрограммировать сетевой адрес

Протоколы канального уровня и сетевые технологии

Функциональный состав того или иного протокола канального уровня во

многом определяется особенностями физического уровня например

топологией сети или типом среды передачи Поэтому при проектировании

сетевого взаимодействия используются и разрабатываются комплексные

стандарты получившие название сетевых технологий

Сетевая технология ndash это набор стандартов определяющий минимальный

состав программно-аппаратных средств достаточный для организации

взаимодействия компьютеров в сети Как правило сетевая технология

определяет топологию сети а также протокол канального уровня (формат

кадра порядок обмена кадрами MTU)

В настоящее время существует большое количество сетевых технологий и

соответственно определяемых ими протоколов канального уровня

Рассмотрим для примера одну из наиболее популярных в настоящее время

технологий ndash технологию локальных сетей Ethernet Эта технология

предполагает что сеть должна строиться на основе физических топологий

шина если используется коаксиальный кабель или звезда если

используется кабель типа витая пара В зависимости от типа используемого

кабеля скорость передачи данных лежит в диапазоне 10-100 Мбитс В

качестве метода доступа к среде передачи используется метод обнаружения

коллизий (CSMACD) Что касается формата кадра то в настоящее время на

практике используются 4 варианта кадров Ethernet отличающихся друг от

друга но все они согласуются с общими положениями изложенными ранее

Максимальный объем данных передаваемых в одном кадре (MTU) в

технологии Ethernet не может превышать 1500 байт

Помимо технологии Ethernet в настоящее время в локальных сетях широко

используются технологии AppleTalk FDDI и ATM В глобальных сетях

широко распространены технологии ATM FrameRelay ISDN и SMDS

Существует также ряд технологий использующихся для организации

беспроводных сетей Наиболее популярной технологией применяемой при

- 38 -

построении локальных сетей в настоящее время является технология

RadioEthernet Она предполагает передачу данных в двух УКВ-диапазонах

около 915 МГЦ и 2400-24835 МГц а также в инфракрасном спектре

Диапазон 915 МГц в России и Европе достаточно сильно загружен

средствами связи (сотовая телефония) поэтому он используется как

правило для организации сетей внутри зданий хотя технически позволяет

осуществлять передачу на значительные расстояния Это же ограничение

распространяется и на инфракрасный диапазон поскольку инфракрасные

лучи чувствительны к погодным условиям В зависимости от того какой

режим передачи используется сети RadioEthernet позволяют осуществлять

передачу данных со скоростью 2 - 10 Мбитс Технология RadioEthernet

предполагает построение сетей на базе топологий точка-точка и звезда В

качестве метода доступа используется метод предупреждения коллизий

(CSMACA)

Наряду с кабельными и беспроводными технологиями существуют также

технологии предполагающие комбинирование различных типов физической

среды передачи Обычно они применяются для построения асимметричных

сетей небольшие по объему запросы пользовательских компьютеров

передаются по кабельным каналам например с использованием телефонных

линий и модемов а прием осуществляется через спутниковый радиоканал

Объединение сетей на канальном уровне

Сложные сети в общем случае представляют собой совокупность

нескольких сетей Такие сети называются объединенными сетями

(internetwork)

Необходимость объединения сетей может быть вызвана разными причинами

Прежде всего это - преодоление технических ограничений среды передачи

например максимального расстояния передачи данных Кроме того

построение сети как объединенной позволяет повысить надежность (выход

из строя одной физической среды не влияет на работу остальных) и

обеспечить определенный уровень конфиденциальности (данные

передаваемые между компьютерами одной физической среды оказываются

недоступными компьютерам других сетей)

Для построения объединенных сетей требуются специальные устройства

которые позволяют подключать к себе две (или более) сети Наиболее

простым устройством такого вида является мост (bridge)

Мост

- 39 -

Принцип функционирования моста достаточно прост для подключения сетей

мост располагает несколькими портами с каждым из которых связываются

записи так называемой адресной таблицы содержащей список адресов

компьютеров сетей подключенных к мосту Когда мост получает кадр

данных то он передает его в сеть через порт который согласно таблице

соответствует адресу получателя В случае если адрес получателя не

обнаружен в адресной таблице то кадр передается во все сети Адресные

таблицы мостов как правило строятся на основе анализа кадров

передаваемых по сетям

Функции сетевого уровня

Сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе

различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне

достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети

но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети

с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это

объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

адресации определенных различными технологиями Поэтому для

обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства

представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую

абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых

технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого

уровня модели OSI

Очевидно что устройства этого уровня предназначенные для объединения

сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального

уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную

передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть

определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку

составной сети Процесс определения пути прохождения данных через

подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства

объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название

маршрутизаторов

- 40 -

Протокол IP

Протокол IP (Internet Protocol) входит в состав стека протоколов TCPIP и

является основным протоколом сетевого уровня использующимся в

Интернет и обеспечивающим единую схему логической адресации устройств

в сети и маршрутизацию данных

Для выполнения своих функций протокол определяет свой собственный

формат пакета Основными информационными полями заголовка пакета

являются

IP-адреса отправителя и получателя ndash предназначены для

идентификации отправителя и получателя (см IP-адресация)

Время жизни пакета (Time To Live TTL) - определяет время которое

IP-пакет может находиться в сети и предназначено для

предотвращения захламления сети заблудившимися пакетами

поля предназначенные для фрагментации пакетов (см IP-

фрагментация)

поля предназначенные для управления обработкой пакета (длина

пакета и заголовка контрольная сумма заголовка тип обслуживания и

тд)

Существует 5 классов IP-адресов ndash A B C D E Принадлежность IP-

адреса к тому или иному классу определяется значением первого

октета (W) Ниже показано соответствие значений первого октета и

классов адресов

Класс IP-адреса A B C D E

Диапазон первого

октета

1-

126

128-

191

192-

223

224-

239

240-

247

IP-адреса первых трех классов предназначены для адресации

отдельных узлов и отдельных сетей Такие адреса состоят из двух

частей ndash номера сети и номера узла Такая схема аналогична схеме

почтовых индексов ndash первые три цифры кодируют регион а остальные

ndash почтовое отделение внутри региона

Преимущества двухуровневой схемы очевидны она позволяет во-

первых адресовать целиком отдельные сети внутри составной сети

что необходимо для обеспечения маршрутизации а во-вторых ndash

присваивать узлам номера внутри одной сети независимо от других

сетей Естественно что компьютеры входящие в одну и ту же сеть

должны иметь IP-адреса с одинаковым номером сети

- 41 -

IP-Маршрутизация ndash процесс выбора пути для передачи пакета в сети Под

путем (маршрутом) понимается последовательность маршрутизаторов через

которые проходит пакет по пути к узлу-назначению IP-маршрутизатор ndash это

специальное устройство предназначенное для объединения сетей и

обеспечивающее определение пути прохождения пакетов в составной сети

Маршрутизатор должен иметь несколько IP-адресов с номерами сетей

соответствующими номерам объединяемых сетей

Как известно для разных сетевых технологий значение MTU определенное

для кадров данных может отличаться Поэтому при преобразовании кадров

на маршрутизаторе может потребоваться разделение вложенных в них IP-

пакетов на более мелкие пакеты

Для разделения пакетов на фрагменты модуль IP установленный на

маршрутизаторе создает на его основе некоторое число новых пакетов (в

соответствии с длиной исходного пакета и значения MTU для сети куда

должны быть переданы данные) Для того чтобы данные могли быть

правильно собраны получателем в заголовки новых IP-пакетов помещается

специальный числовой идентификатор позволяющий однозначно

определить что эти пакеты являются фрагментами одного большого пакета

Кроме того в заголовках также указывается положения фрагментов в

исходном пакете что позволяет обеспечить правильный порядок сборки

получателем

Вспомогательные протоколы сетевого уровня стека TCPIP

Главными функциями протокола IP является обеспечение единой схемы

адресации независимой от принципов адресации определяемых сетевыми

технологиями (адресацией канального уровня) а также передача данных по

составной сети (маршрутизация и фрагментация пакетов) Однако для

организации реального взаимодействия этого оказывается недостаточно -

существует еще ряд проблем

Первая проблема состоит в следующем Для того чтобы передать данные по

сети программное обеспечение протокола IP создает пакет и передает его

средствам канального уровня При этом средствам канального уровня для

формирования кадра данных необходим адрес получателя причем не

логический IP-адрес а MAC-адрес который может быть правильно опознан

сетевым адаптером принимающего компьютера Однако спецификацией

протокола IP не предусмотрен механизм позволяющий определять

соответствие между аппаратными и IP-адресами Эту функцию выполняет

вспомогательный протокол сетевого уровня ARP (Address Resolution

Protocol) входящий в семейство протоколов TCPIP

- 42 -

Другая серьезная проблема состоит в том что если при обработке IP-пакета

на маршрутизаторе возникли какие-то проблемы например истекло время

жизни пакета то отправитель о них не узнает поскольку механизм

обратной связи также не предусмотрен спецификацией протокола IP Для

решения этой проблемы используется специальный протокол сетевого

уровня ICMP (Internet Control Message Protocol) входящий в стек протоколов

TCPIP и обеспечивающий передачу управляющей информации и

информации об ошибках

В семействе протоколов TCPIP предусмотрен также ряд других

вспомогательных протоколов например протоколы динамической

маршрутизации обеспечивающие обмен информацией между

маршрутизаторами с целью автоматизации построения таблиц

маршрутизации

Транспортный уровень

Функции транспортного уровня

Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных между

устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд)

Однако не следует забывать что на одном узле может функционировать

параллельно несколько программ которым требуется доступ к сети

Следовательно данные внутри компьютерной системы должны

распределяться между программами Поэтому при передаче данных по сети

недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо также

идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является

отсутствие средств позволяющих передавать большие массивы данных

Когда исходные данные превышают максимально допустимый размер пакета

сетевого уровня то эти данные должны быть разбиты на порции каждая из

которых передается в сеть отдельным пакетом Однако каждый пакет

сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других блок

данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и

следовательно ndash обнаружить нарушение целостности общего массива

данных Поэтому средства транспортного уровня обеспечивают отсутствие

потерь информации Такой режим передачи данных получил название

гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой

- 43 -

функциональную надстройку над сетевым уровнем и решают две основных

задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

обеспечение гарантированной доставки массивов данных

произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash

UDP обеспечивающий негарантированную доставку данных между

программами и TCP обеспечивающий гарантированную доставку с

установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной

уровень

Компоненты четырех нижних уровней модели OSI (физического канального

сетевого и транспортного) представляют собой механизм обеспечивающий

доставку данных любого типа и произвольного объема между программами

работающими на разных узлах составной сети Однако при работе в сети

пользователям требуется не просто пересылка данных а выполнение каких-

либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех

возможностей которые предоставляют средства нижних уровней

недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо

просмотреть документ расположенный не на его локальном компьютере а

на удаленной машине Решение такой задачи предполагает как минимум

прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса

содержащего имя документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного

компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной

машины изменений вносимых в этот документ другими пользователями и

уведомление об этом пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав

пользователя на работу с документом что предполагает дополнительный

- 44 -

обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних

уровней не имеют средств позволяющих реализовать специфику такого

взаимодействия Поэтому для его организации требуются дополнительные

надстройки над средствами транспортного и нижележащих уровней В

эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный уровень

уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или

сессии) при длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое

(виртуальное) соединение между двумя программами в общем случае

функционирующими на разных компьютерах В простейшем случае

установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти

необходимых для приема и передачи данных После окончания передачи

данных происходит закрытие соединения предполагающее освобождение

выделенных ресурсов Во многих случаях этого недостаточно поэтому

сессионный уровень предлагает более сложные механизмы для организации

сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая

поддержка осуществляется путем периодической отправки специальных

тестовых пакетов при получении которых участник соединения должен

ответить Возвращаясь к предложенному выше примеру следует отметить

что установление соединения при работе с удаленным документом позволяет

один раз перед началом работы проверить права доступа пользователя а

также один раз передать запрос с именем файла В случае если бы

соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог

бы уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться

дополнительное преобразование Например это необходимо в случае если

взаимодействующие программы используют различные способы кодировки

текстовой информации или если для обеспечения защиты информации

требуется осуществлять шифрование данных Обеспечение подобных

промежуточных преобразований возложено на уровень представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными

уровнями Они позволяют осуществлять работу с различными

информационными ресурсами сети например файлами или сообщениями

электронной почты Естественно что различные типы ресурсов в общем

случае требуют различных методов обработки и в том числе методов

сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI

- 45 -

является прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции

работы с конкретными информационными объектами В предложенном выше

примере (чтение удаленного документа) к функциям прикладного протокола

относятся формирование запросов на получение документа проверка прав

доступа а также определение порядка пересылки файлов и уведомлений об

изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами

определяемых протоколами прикладного уровня часть функций сессионного

уровня и уровня представления может оказаться избыточной поэтому при

программной реализации три верхних уровня обычно объединяются

Page 26: - 3 - ВВЕДЕНИЕicm.muctr.ru/study/computers/inf001.pdf · 2016-08-25 · - 7 - А) Количество информации как мера уменьшения неопределенности

- 28 -

При уровневой организации процесса взаимодействия должны соблюдаться

следующие требования

компоненты одного уровня одной системы могут взаимодействовать с

компонентами только того же уровня другой системы

в рамках одной системы компоненты какого-либо уровня могут

взаимодействовать только с компонентами смежных (вышележащего и

нижележащего) уровней

Порядок уровневого взаимодействия

Набор правил определяющих порядок взаимодействия средств относящихся

к одному и тому же уровню и функционирующих в разных системах

называется протоколом (protocol) Правила взаимодействия между собой

средств относящихся к смежным уровням и функционирующих в одной

системе называются интерфейсом (interface)

Практическая реализация уровневого взаимодействия

На практике протоколы и интерфейсы регламентируют технические

требования предъявляемые к программным и аппаратным средствам

Программные (аппаратные) модули предназначенные для обеспечения

практического взаимодействия определяемого тем или иным протоколом

(или интерфейсом) обычно называют реализацией протокола (или

интерфейса)

Хотя различные компоненты относящиеся к различным уровням сетевой

модели формально должны быть функционально независимыми друг от

друга при практической разработке протоколов такая независимость не

всегда выдерживается Это объясняется тем что попытка добиться точного

соответствия эталонной модели может привести к неэффективности работы

программно-аппаратного обеспечения реализующего протокол В настоящее

время наблюдается два типа отклонений возникающих при реализации

уровневого взаимодействия

- 29 -

функции некоторых уровней могут объединяться одним протоколом и

наоборот ndash функции одного уровня могут делиться между различными

протоколами

функционирование протокола какого-либо уровня подразумевают

использование только определенных протоколов нижележащего

уровня

Поэтому разработка практических методов сетевого взаимодействия как

правило подразумевает разработку не отдельных протоколов а целых

наборов протоколов Такие наборы обычно включают в себя протоколы

относящиеся к нескольким смежным уровням эталонной модели OSI и

называются стеками (или семействами наборами) протоколов (protocol stack

protocol suite) Наиболее известным стеком протоколов обеспечивающим

взаимодействие в сети Интернет является стек протоколов TCPIP

Физический уровень

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Среда передачи

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Физический уровень определяет способ физического соединения

компьютеров в сети Основными функциями средств относящихся к

данному уровню является побитовое преобразование цифровых данных в

сигналы среды передачи а также собственно передача сигналов по

физической среде

Кабельные системы

- 30 -

Кабель (cable) используемый для построения компьютерных сетей

представляет собой сложную конструкцию состоящую в общем случае из

проводников изолирующих и экранирующих слоев В современных сетях

используются три типа кабеля

Еще одним важным понятием физического уровня является способ

соединения компьютеров с помощью физической среды или топология сети

Если сеть состоит всего из двух компьютеров то они соединяются

напрямую Такой способ соединения получил название точка-точка

(point-to-point)

Соединение типа точка-точка

Для обеспечения связи более чем двух компьютеров может использоваться

последовательность соединений типа точка-точка

Последовательность соединений типа точка-точка

Однако такой подход требует установки на большую часть компьютеров

нескольких устройств передачи данных

В качестве альтернативного подхода возможно использование более

сложных топологий позволяющих подключить к общей среде сразу

несколько компьютеров имеющих по одному устройству передачи данных

- 31 -

Выделяют три базовые топологии Шина (bus) Кольцо (ring)

Звезда(star)

Топология laquoШинаraquo

Топология Шина

Эта топология использует один передающий канал на базе коаксиального

кабеля называемый шиной Все сетевые компьютеры присоединяются

напрямую к шине На концах кабеля-шины устанавливаются специальные

заглушки - терминаторы (terminator) Они необходимы для того чтобы

погасить сигнал после прохождения по шине К недостаткам топологии

Шина следует отнести следующее

данные предаваемые по кабелю доступны всем подключенным

компьютерам

в случае повреждения шины вся сеть перестает функционировать

Топология laquoКольцоraquo

Топология Кольцо

Для топологии кольцо характерно отсутствие конечных точек соединения

сеть замкнута образуя неразрывное кольцо по которому передаются данные

Эта топология подразумевает следующий механизм передачи данные

передаются последовательно от одного компьютера к другому пока не

- 32 -

достигнут компьютера-получателя Недостатки топологии кольцо те же то

и у топологии шина

общедоступность данных

неустойчивость к повреждениям кабельной системы

Топология laquoЗвездаraquo

Топология Звезда

В сети с топологией звезда все компьютеры соединены со специальным

устройством называемым сетевым концентратором или хабом (hub)

который выполняет функции распределения данных Прямые соединения

двух компьютеров в сети отсутствуют Благодаря этому имеется

возможность решения проблемы общедоступности данных а также

повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы Однако

функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора

Физическая и логическая топологии

Следует отметить что термин топология может употребляться для

обозначения двух понятий ndash физической топологии и логической топологии

Физическая топология ndash способ физического соединения компьютеров с

помощью среды передачи например участками кабеля Логическая

топология определяет маршруты передачи данных в сети Во многих

случаях физическая топология однозначно определяет логическую

топологию Однако существуют такие конфигурации в которых логическая

топология отличается от физической Например сеть с физической

- 33 -

топологией laquoзвездаraquo может иметь логическую топологию laquoшинаraquo ndash все

зависит от того каким образом устроен сетевой концентратор

Кодированиедекодирование данных Как известно данные обрабатываемые

компьютером представляются в двоичном виде - как последовательность

нулей и единиц Однако понятия нуль и единица являются логическими

понятиями обозначающими электрические сигналы отличающиеся друг от

друга физическими параметрами и использующиеся для представления

информации в различных устройствах например оперативной памяти или

центральном процессоре В силу различных технических причин эти сигналы

не всегда могут передаваться по физическим каналам связи Поэтому они

должны быть преобразованы Процесс преобразования сигналов удобных

для компьютера в сигналы которые могут быть переданы по сети

называется физическим кодированием а обратное преобразование -

декодированием

Передача сигналов Информационные сигналы передаются по физическим

линиям связи последовательно В случае если между передающей и

принимающей сторонами параллельно существуют более одной линии

например проложено несколько кабелей то оказывается возможным

одновременно (параллельно) передавать несколько сигналов Если эти

сигналы представляют различные биты передаваемых данных то

повышается скорость информационного обмена Если же сигналы

представляют один и тот же бит данных - то повышается надежность

взаимодействия

Канальный уровень

Канальный уровень отвечает за организацию передачи данных

между абонентами через физический уровень поэтому на данном

уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к общему физическому

каналу В функции данного уровня также входит упорядочивание

передачи с целью обеспечения возможности параллельного

использования одного физического канала несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем Большинство функций канального уровня

выполняются устройствами передачи данных (например сетевым

- 34 -

адаптером)

Метод коммутации

дной из центральных проблем организации передачи данных по физическим

каналам является проблема параллельного использования одного и того же

канала несколькими парами абонентов Методы лежащие в основе ее

решения получили название методов коммутации

В настоящее время существует два основных метода коммутации

коммутация каналов и коммутация пакетов

Коммутация каналов предполагает что перед началом передачи данных

должна быть выполнена процедура установления соединения в результате

которой образуется составной канал По окончании сеанса связи соединение

разрывается и канал освобождается Классическим примером реализации

коммутации каналов является телефонная связь которая подразумевает что

абонент перед началом разговора набирает номер второго абонента в

результате чего последовательное переключение промежуточных

коммутаторов позволяет образовать непрерывный канал связи между

абонентами Коммутация каналов удобна для организации линий связи в

которых подразумевается передача потоков данных постоянной

интенсивности например таких как телефонный разговор в силу чего этот

метод оказывается недостаточно гибким при построении компьютерных

сетей

Метод коммутации пакетов основан на разбиении передаваемых по сети

данных на небольшие порции Каждая такая порция передается по сети

как единое целое и называется пакетом Такой метод является очень

удобным для параллельного использования физического канала несколькими

парами абонентов канал является занятым только во время прохождения

пакета Временные промежутки между передачей пакетов одним абонентам

могут быть использованы другими для отправки собственных пакетов

Пакет обычно состоит из двух частей ndash заголовка содержащего служебные

данные необходимые для управления доставкой пакета и собственно

данных подлежащих передаче Порядок обмена пакетами а также

конкретный состав заголовка пакетов определяется сетевым протоколом

Для именования пакетов различных уровней модели OSI используются

специальные термины Для канального уровня используется термин кадр

для сетевого ndash пакет для транспортного ndash сегмент дейтаграмма для

сессионного и более высоких уровней ndash сообщение

- 35 -

Протоколы канального уровня

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена

способ представления информации а также необходимый набор правил

позволяющий упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток

битов Перед передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с

принципом пакетной коммутации разделяется на порции каждая из

которых снабжается заголовком содержащим некоторую служебную

информацию те формируется пакет На канальном уровне пакет называется

кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает

протокол Сложность канальных протоколов во многом определяется

сложностью топологии сети Очевидно что организовать общение всего двух

абонентов существенно проще чем упорядочивать информационный обмен в

сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких пар

абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Структура кадра данных

Состав заголовка кадра зависит от многих факторов определяемых набором

функций которые выполняет протокол Тем не менее можно выделить ряд

информационных полей которые обычно присутствуют в заголовке кадра К

таким полям относятся

1 Специальные поля предназначенные для определения границ кадров

Поскольку в физической среде могут постоянно проходить какие-либо

сигналы то сетевые адаптеры должны уметь разбираться в том когда

начинается передача кадра и когда она заканчивается

2 Поле предназначенное для определения протокола сетевого уровня

которому необходимо передать данные Так как на одном компьютере могут

функционировать программные модули различных протоколов сетевого

уровня то протоколы канального уровня должны уметь распределять данные

по этим протоколам

3 Контрольная сумма (или специальный код) содержимого кадра которая

позволяет принимающей стороне определить наличие ошибок в принятых

данных Принцип ее использования состоит в следующем Сетевой адаптер

отправляющего компьютера после формирования кадра вычисляет значение

- 36 -

его контрольной суммы на основе содержимого и помещает это значение в

заголовок кадра Принимающая сторона также вычисляет контрольную

сумму полученного кадра и сравнивает его со значением помещенным в

заголовке Если они не совпадают то это означает что во время передачи

кадра произошла ошибка

4 Поля предназначенные для адресации абонентов в сложных сетях

(определены для протоколов применяемых в сетях базирующихся на

сложных топологиях)

Обобщенная структура кадра данных

Протоколы для сетей сложных топологий

Протоколы канального уровня этой группы являются более сложными чем

протоколы использующиеся в сетях типа точка-точка так как вынуждены

выполнять ряд дополнительных функций Основными функциями являются

Выделение на всем множестве компьютеров подключенных к сети

конкретного абонента с которым осуществляется информационный обмен

то есть адресация

Адресация абонентов

Упорядочивание доступа к среде передачи в случае когда нескольким парам

абонентов требуется осуществить передачу данных

Для обеспечения адресации абонентов в заголовке кадров должны

присутствовать следующие поля

- 37 -

1 Адрес отправителя ndash некоторое число (или набор чисел) позволяющее

идентифицировать сетевой адаптер (а следовательно и компьютер в

котором она установлена) который осуществил передачу кадра данных в

сеть Адреса присваиваются сетевым адаптерам на заводе-изготовителе и

как правило не изменяются в дальнейшем хотя большинство современных

адаптеров позволяют перепрограммировать сетевой адрес

Протоколы канального уровня и сетевые технологии

Функциональный состав того или иного протокола канального уровня во

многом определяется особенностями физического уровня например

топологией сети или типом среды передачи Поэтому при проектировании

сетевого взаимодействия используются и разрабатываются комплексные

стандарты получившие название сетевых технологий

Сетевая технология ndash это набор стандартов определяющий минимальный

состав программно-аппаратных средств достаточный для организации

взаимодействия компьютеров в сети Как правило сетевая технология

определяет топологию сети а также протокол канального уровня (формат

кадра порядок обмена кадрами MTU)

В настоящее время существует большое количество сетевых технологий и

соответственно определяемых ими протоколов канального уровня

Рассмотрим для примера одну из наиболее популярных в настоящее время

технологий ndash технологию локальных сетей Ethernet Эта технология

предполагает что сеть должна строиться на основе физических топологий

шина если используется коаксиальный кабель или звезда если

используется кабель типа витая пара В зависимости от типа используемого

кабеля скорость передачи данных лежит в диапазоне 10-100 Мбитс В

качестве метода доступа к среде передачи используется метод обнаружения

коллизий (CSMACD) Что касается формата кадра то в настоящее время на

практике используются 4 варианта кадров Ethernet отличающихся друг от

друга но все они согласуются с общими положениями изложенными ранее

Максимальный объем данных передаваемых в одном кадре (MTU) в

технологии Ethernet не может превышать 1500 байт

Помимо технологии Ethernet в настоящее время в локальных сетях широко

используются технологии AppleTalk FDDI и ATM В глобальных сетях

широко распространены технологии ATM FrameRelay ISDN и SMDS

Существует также ряд технологий использующихся для организации

беспроводных сетей Наиболее популярной технологией применяемой при

- 38 -

построении локальных сетей в настоящее время является технология

RadioEthernet Она предполагает передачу данных в двух УКВ-диапазонах

около 915 МГЦ и 2400-24835 МГц а также в инфракрасном спектре

Диапазон 915 МГц в России и Европе достаточно сильно загружен

средствами связи (сотовая телефония) поэтому он используется как

правило для организации сетей внутри зданий хотя технически позволяет

осуществлять передачу на значительные расстояния Это же ограничение

распространяется и на инфракрасный диапазон поскольку инфракрасные

лучи чувствительны к погодным условиям В зависимости от того какой

режим передачи используется сети RadioEthernet позволяют осуществлять

передачу данных со скоростью 2 - 10 Мбитс Технология RadioEthernet

предполагает построение сетей на базе топологий точка-точка и звезда В

качестве метода доступа используется метод предупреждения коллизий

(CSMACA)

Наряду с кабельными и беспроводными технологиями существуют также

технологии предполагающие комбинирование различных типов физической

среды передачи Обычно они применяются для построения асимметричных

сетей небольшие по объему запросы пользовательских компьютеров

передаются по кабельным каналам например с использованием телефонных

линий и модемов а прием осуществляется через спутниковый радиоканал

Объединение сетей на канальном уровне

Сложные сети в общем случае представляют собой совокупность

нескольких сетей Такие сети называются объединенными сетями

(internetwork)

Необходимость объединения сетей может быть вызвана разными причинами

Прежде всего это - преодоление технических ограничений среды передачи

например максимального расстояния передачи данных Кроме того

построение сети как объединенной позволяет повысить надежность (выход

из строя одной физической среды не влияет на работу остальных) и

обеспечить определенный уровень конфиденциальности (данные

передаваемые между компьютерами одной физической среды оказываются

недоступными компьютерам других сетей)

Для построения объединенных сетей требуются специальные устройства

которые позволяют подключать к себе две (или более) сети Наиболее

простым устройством такого вида является мост (bridge)

Мост

- 39 -

Принцип функционирования моста достаточно прост для подключения сетей

мост располагает несколькими портами с каждым из которых связываются

записи так называемой адресной таблицы содержащей список адресов

компьютеров сетей подключенных к мосту Когда мост получает кадр

данных то он передает его в сеть через порт который согласно таблице

соответствует адресу получателя В случае если адрес получателя не

обнаружен в адресной таблице то кадр передается во все сети Адресные

таблицы мостов как правило строятся на основе анализа кадров

передаваемых по сетям

Функции сетевого уровня

Сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе

различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне

достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети

но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети

с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это

объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

адресации определенных различными технологиями Поэтому для

обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства

представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую

абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых

технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого

уровня модели OSI

Очевидно что устройства этого уровня предназначенные для объединения

сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального

уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную

передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть

определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку

составной сети Процесс определения пути прохождения данных через

подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства

объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название

маршрутизаторов

- 40 -

Протокол IP

Протокол IP (Internet Protocol) входит в состав стека протоколов TCPIP и

является основным протоколом сетевого уровня использующимся в

Интернет и обеспечивающим единую схему логической адресации устройств

в сети и маршрутизацию данных

Для выполнения своих функций протокол определяет свой собственный

формат пакета Основными информационными полями заголовка пакета

являются

IP-адреса отправителя и получателя ndash предназначены для

идентификации отправителя и получателя (см IP-адресация)

Время жизни пакета (Time To Live TTL) - определяет время которое

IP-пакет может находиться в сети и предназначено для

предотвращения захламления сети заблудившимися пакетами

поля предназначенные для фрагментации пакетов (см IP-

фрагментация)

поля предназначенные для управления обработкой пакета (длина

пакета и заголовка контрольная сумма заголовка тип обслуживания и

тд)

Существует 5 классов IP-адресов ndash A B C D E Принадлежность IP-

адреса к тому или иному классу определяется значением первого

октета (W) Ниже показано соответствие значений первого октета и

классов адресов

Класс IP-адреса A B C D E

Диапазон первого

октета

1-

126

128-

191

192-

223

224-

239

240-

247

IP-адреса первых трех классов предназначены для адресации

отдельных узлов и отдельных сетей Такие адреса состоят из двух

частей ndash номера сети и номера узла Такая схема аналогична схеме

почтовых индексов ndash первые три цифры кодируют регион а остальные

ndash почтовое отделение внутри региона

Преимущества двухуровневой схемы очевидны она позволяет во-

первых адресовать целиком отдельные сети внутри составной сети

что необходимо для обеспечения маршрутизации а во-вторых ndash

присваивать узлам номера внутри одной сети независимо от других

сетей Естественно что компьютеры входящие в одну и ту же сеть

должны иметь IP-адреса с одинаковым номером сети

- 41 -

IP-Маршрутизация ndash процесс выбора пути для передачи пакета в сети Под

путем (маршрутом) понимается последовательность маршрутизаторов через

которые проходит пакет по пути к узлу-назначению IP-маршрутизатор ndash это

специальное устройство предназначенное для объединения сетей и

обеспечивающее определение пути прохождения пакетов в составной сети

Маршрутизатор должен иметь несколько IP-адресов с номерами сетей

соответствующими номерам объединяемых сетей

Как известно для разных сетевых технологий значение MTU определенное

для кадров данных может отличаться Поэтому при преобразовании кадров

на маршрутизаторе может потребоваться разделение вложенных в них IP-

пакетов на более мелкие пакеты

Для разделения пакетов на фрагменты модуль IP установленный на

маршрутизаторе создает на его основе некоторое число новых пакетов (в

соответствии с длиной исходного пакета и значения MTU для сети куда

должны быть переданы данные) Для того чтобы данные могли быть

правильно собраны получателем в заголовки новых IP-пакетов помещается

специальный числовой идентификатор позволяющий однозначно

определить что эти пакеты являются фрагментами одного большого пакета

Кроме того в заголовках также указывается положения фрагментов в

исходном пакете что позволяет обеспечить правильный порядок сборки

получателем

Вспомогательные протоколы сетевого уровня стека TCPIP

Главными функциями протокола IP является обеспечение единой схемы

адресации независимой от принципов адресации определяемых сетевыми

технологиями (адресацией канального уровня) а также передача данных по

составной сети (маршрутизация и фрагментация пакетов) Однако для

организации реального взаимодействия этого оказывается недостаточно -

существует еще ряд проблем

Первая проблема состоит в следующем Для того чтобы передать данные по

сети программное обеспечение протокола IP создает пакет и передает его

средствам канального уровня При этом средствам канального уровня для

формирования кадра данных необходим адрес получателя причем не

логический IP-адрес а MAC-адрес который может быть правильно опознан

сетевым адаптером принимающего компьютера Однако спецификацией

протокола IP не предусмотрен механизм позволяющий определять

соответствие между аппаратными и IP-адресами Эту функцию выполняет

вспомогательный протокол сетевого уровня ARP (Address Resolution

Protocol) входящий в семейство протоколов TCPIP

- 42 -

Другая серьезная проблема состоит в том что если при обработке IP-пакета

на маршрутизаторе возникли какие-то проблемы например истекло время

жизни пакета то отправитель о них не узнает поскольку механизм

обратной связи также не предусмотрен спецификацией протокола IP Для

решения этой проблемы используется специальный протокол сетевого

уровня ICMP (Internet Control Message Protocol) входящий в стек протоколов

TCPIP и обеспечивающий передачу управляющей информации и

информации об ошибках

В семействе протоколов TCPIP предусмотрен также ряд других

вспомогательных протоколов например протоколы динамической

маршрутизации обеспечивающие обмен информацией между

маршрутизаторами с целью автоматизации построения таблиц

маршрутизации

Транспортный уровень

Функции транспортного уровня

Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных между

устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд)

Однако не следует забывать что на одном узле может функционировать

параллельно несколько программ которым требуется доступ к сети

Следовательно данные внутри компьютерной системы должны

распределяться между программами Поэтому при передаче данных по сети

недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо также

идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является

отсутствие средств позволяющих передавать большие массивы данных

Когда исходные данные превышают максимально допустимый размер пакета

сетевого уровня то эти данные должны быть разбиты на порции каждая из

которых передается в сеть отдельным пакетом Однако каждый пакет

сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других блок

данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и

следовательно ndash обнаружить нарушение целостности общего массива

данных Поэтому средства транспортного уровня обеспечивают отсутствие

потерь информации Такой режим передачи данных получил название

гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой

- 43 -

функциональную надстройку над сетевым уровнем и решают две основных

задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

обеспечение гарантированной доставки массивов данных

произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash

UDP обеспечивающий негарантированную доставку данных между

программами и TCP обеспечивающий гарантированную доставку с

установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной

уровень

Компоненты четырех нижних уровней модели OSI (физического канального

сетевого и транспортного) представляют собой механизм обеспечивающий

доставку данных любого типа и произвольного объема между программами

работающими на разных узлах составной сети Однако при работе в сети

пользователям требуется не просто пересылка данных а выполнение каких-

либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех

возможностей которые предоставляют средства нижних уровней

недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо

просмотреть документ расположенный не на его локальном компьютере а

на удаленной машине Решение такой задачи предполагает как минимум

прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса

содержащего имя документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного

компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной

машины изменений вносимых в этот документ другими пользователями и

уведомление об этом пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав

пользователя на работу с документом что предполагает дополнительный

- 44 -

обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних

уровней не имеют средств позволяющих реализовать специфику такого

взаимодействия Поэтому для его организации требуются дополнительные

надстройки над средствами транспортного и нижележащих уровней В

эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный уровень

уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или

сессии) при длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое

(виртуальное) соединение между двумя программами в общем случае

функционирующими на разных компьютерах В простейшем случае

установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти

необходимых для приема и передачи данных После окончания передачи

данных происходит закрытие соединения предполагающее освобождение

выделенных ресурсов Во многих случаях этого недостаточно поэтому

сессионный уровень предлагает более сложные механизмы для организации

сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая

поддержка осуществляется путем периодической отправки специальных

тестовых пакетов при получении которых участник соединения должен

ответить Возвращаясь к предложенному выше примеру следует отметить

что установление соединения при работе с удаленным документом позволяет

один раз перед началом работы проверить права доступа пользователя а

также один раз передать запрос с именем файла В случае если бы

соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог

бы уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться

дополнительное преобразование Например это необходимо в случае если

взаимодействующие программы используют различные способы кодировки

текстовой информации или если для обеспечения защиты информации

требуется осуществлять шифрование данных Обеспечение подобных

промежуточных преобразований возложено на уровень представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными

уровнями Они позволяют осуществлять работу с различными

информационными ресурсами сети например файлами или сообщениями

электронной почты Естественно что различные типы ресурсов в общем

случае требуют различных методов обработки и в том числе методов

сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI

- 45 -

является прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции

работы с конкретными информационными объектами В предложенном выше

примере (чтение удаленного документа) к функциям прикладного протокола

относятся формирование запросов на получение документа проверка прав

доступа а также определение порядка пересылки файлов и уведомлений об

изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами

определяемых протоколами прикладного уровня часть функций сессионного

уровня и уровня представления может оказаться избыточной поэтому при

программной реализации три верхних уровня обычно объединяются

Page 27: - 3 - ВВЕДЕНИЕicm.muctr.ru/study/computers/inf001.pdf · 2016-08-25 · - 7 - А) Количество информации как мера уменьшения неопределенности

- 29 -

функции некоторых уровней могут объединяться одним протоколом и

наоборот ndash функции одного уровня могут делиться между различными

протоколами

функционирование протокола какого-либо уровня подразумевают

использование только определенных протоколов нижележащего

уровня

Поэтому разработка практических методов сетевого взаимодействия как

правило подразумевает разработку не отдельных протоколов а целых

наборов протоколов Такие наборы обычно включают в себя протоколы

относящиеся к нескольким смежным уровням эталонной модели OSI и

называются стеками (или семействами наборами) протоколов (protocol stack

protocol suite) Наиболее известным стеком протоколов обеспечивающим

взаимодействие в сети Интернет является стек протоколов TCPIP

Физический уровень

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Среда передачи

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи

Среда передачи ndash это физическая среда по которой возможно

распространение информационных сигналов в виде электрических световых

и тп импульсов В настоящее время выделяют два основных типа

физических соединений соединения с помощью кабеля и беспроводные

соединения

Технические характеристики среды передачи влияют на такие

потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи

данных и максимальная скорость передачи данных

Физический уровень определяет способ физического соединения

компьютеров в сети Основными функциями средств относящихся к

данному уровню является побитовое преобразование цифровых данных в

сигналы среды передачи а также собственно передача сигналов по

физической среде

Кабельные системы

- 30 -

Кабель (cable) используемый для построения компьютерных сетей

представляет собой сложную конструкцию состоящую в общем случае из

проводников изолирующих и экранирующих слоев В современных сетях

используются три типа кабеля

Еще одним важным понятием физического уровня является способ

соединения компьютеров с помощью физической среды или топология сети

Если сеть состоит всего из двух компьютеров то они соединяются

напрямую Такой способ соединения получил название точка-точка

(point-to-point)

Соединение типа точка-точка

Для обеспечения связи более чем двух компьютеров может использоваться

последовательность соединений типа точка-точка

Последовательность соединений типа точка-точка

Однако такой подход требует установки на большую часть компьютеров

нескольких устройств передачи данных

В качестве альтернативного подхода возможно использование более

сложных топологий позволяющих подключить к общей среде сразу

несколько компьютеров имеющих по одному устройству передачи данных

- 31 -

Выделяют три базовые топологии Шина (bus) Кольцо (ring)

Звезда(star)

Топология laquoШинаraquo

Топология Шина

Эта топология использует один передающий канал на базе коаксиального

кабеля называемый шиной Все сетевые компьютеры присоединяются

напрямую к шине На концах кабеля-шины устанавливаются специальные

заглушки - терминаторы (terminator) Они необходимы для того чтобы

погасить сигнал после прохождения по шине К недостаткам топологии

Шина следует отнести следующее

данные предаваемые по кабелю доступны всем подключенным

компьютерам

в случае повреждения шины вся сеть перестает функционировать

Топология laquoКольцоraquo

Топология Кольцо

Для топологии кольцо характерно отсутствие конечных точек соединения

сеть замкнута образуя неразрывное кольцо по которому передаются данные

Эта топология подразумевает следующий механизм передачи данные

передаются последовательно от одного компьютера к другому пока не

- 32 -

достигнут компьютера-получателя Недостатки топологии кольцо те же то

и у топологии шина

общедоступность данных

неустойчивость к повреждениям кабельной системы

Топология laquoЗвездаraquo

Топология Звезда

В сети с топологией звезда все компьютеры соединены со специальным

устройством называемым сетевым концентратором или хабом (hub)

который выполняет функции распределения данных Прямые соединения

двух компьютеров в сети отсутствуют Благодаря этому имеется

возможность решения проблемы общедоступности данных а также

повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы Однако

функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора

Физическая и логическая топологии

Следует отметить что термин топология может употребляться для

обозначения двух понятий ndash физической топологии и логической топологии

Физическая топология ndash способ физического соединения компьютеров с

помощью среды передачи например участками кабеля Логическая

топология определяет маршруты передачи данных в сети Во многих

случаях физическая топология однозначно определяет логическую

топологию Однако существуют такие конфигурации в которых логическая

топология отличается от физической Например сеть с физической

- 33 -

топологией laquoзвездаraquo может иметь логическую топологию laquoшинаraquo ndash все

зависит от того каким образом устроен сетевой концентратор

Кодированиедекодирование данных Как известно данные обрабатываемые

компьютером представляются в двоичном виде - как последовательность

нулей и единиц Однако понятия нуль и единица являются логическими

понятиями обозначающими электрические сигналы отличающиеся друг от

друга физическими параметрами и использующиеся для представления

информации в различных устройствах например оперативной памяти или

центральном процессоре В силу различных технических причин эти сигналы

не всегда могут передаваться по физическим каналам связи Поэтому они

должны быть преобразованы Процесс преобразования сигналов удобных

для компьютера в сигналы которые могут быть переданы по сети

называется физическим кодированием а обратное преобразование -

декодированием

Передача сигналов Информационные сигналы передаются по физическим

линиям связи последовательно В случае если между передающей и

принимающей сторонами параллельно существуют более одной линии

например проложено несколько кабелей то оказывается возможным

одновременно (параллельно) передавать несколько сигналов Если эти

сигналы представляют различные биты передаваемых данных то

повышается скорость информационного обмена Если же сигналы

представляют один и тот же бит данных - то повышается надежность

взаимодействия

Канальный уровень

Канальный уровень отвечает за организацию передачи данных

между абонентами через физический уровень поэтому на данном

уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к общему физическому

каналу В функции данного уровня также входит упорядочивание

передачи с целью обеспечения возможности параллельного

использования одного физического канала несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем Большинство функций канального уровня

выполняются устройствами передачи данных (например сетевым

- 34 -

адаптером)

Метод коммутации

дной из центральных проблем организации передачи данных по физическим

каналам является проблема параллельного использования одного и того же

канала несколькими парами абонентов Методы лежащие в основе ее

решения получили название методов коммутации

В настоящее время существует два основных метода коммутации

коммутация каналов и коммутация пакетов

Коммутация каналов предполагает что перед началом передачи данных

должна быть выполнена процедура установления соединения в результате

которой образуется составной канал По окончании сеанса связи соединение

разрывается и канал освобождается Классическим примером реализации

коммутации каналов является телефонная связь которая подразумевает что

абонент перед началом разговора набирает номер второго абонента в

результате чего последовательное переключение промежуточных

коммутаторов позволяет образовать непрерывный канал связи между

абонентами Коммутация каналов удобна для организации линий связи в

которых подразумевается передача потоков данных постоянной

интенсивности например таких как телефонный разговор в силу чего этот

метод оказывается недостаточно гибким при построении компьютерных

сетей

Метод коммутации пакетов основан на разбиении передаваемых по сети

данных на небольшие порции Каждая такая порция передается по сети

как единое целое и называется пакетом Такой метод является очень

удобным для параллельного использования физического канала несколькими

парами абонентов канал является занятым только во время прохождения

пакета Временные промежутки между передачей пакетов одним абонентам

могут быть использованы другими для отправки собственных пакетов

Пакет обычно состоит из двух частей ndash заголовка содержащего служебные

данные необходимые для управления доставкой пакета и собственно

данных подлежащих передаче Порядок обмена пакетами а также

конкретный состав заголовка пакетов определяется сетевым протоколом

Для именования пакетов различных уровней модели OSI используются

специальные термины Для канального уровня используется термин кадр

для сетевого ndash пакет для транспортного ndash сегмент дейтаграмма для

сессионного и более высоких уровней ndash сообщение

- 35 -

Протоколы канального уровня

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена

способ представления информации а также необходимый набор правил

позволяющий упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток

битов Перед передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с

принципом пакетной коммутации разделяется на порции каждая из

которых снабжается заголовком содержащим некоторую служебную

информацию те формируется пакет На канальном уровне пакет называется

кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает

протокол Сложность канальных протоколов во многом определяется

сложностью топологии сети Очевидно что организовать общение всего двух

абонентов существенно проще чем упорядочивать информационный обмен в

сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких пар

абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Структура кадра данных

Состав заголовка кадра зависит от многих факторов определяемых набором

функций которые выполняет протокол Тем не менее можно выделить ряд

информационных полей которые обычно присутствуют в заголовке кадра К

таким полям относятся

1 Специальные поля предназначенные для определения границ кадров

Поскольку в физической среде могут постоянно проходить какие-либо

сигналы то сетевые адаптеры должны уметь разбираться в том когда

начинается передача кадра и когда она заканчивается

2 Поле предназначенное для определения протокола сетевого уровня

которому необходимо передать данные Так как на одном компьютере могут

функционировать программные модули различных протоколов сетевого

уровня то протоколы канального уровня должны уметь распределять данные

по этим протоколам

3 Контрольная сумма (или специальный код) содержимого кадра которая

позволяет принимающей стороне определить наличие ошибок в принятых

данных Принцип ее использования состоит в следующем Сетевой адаптер

отправляющего компьютера после формирования кадра вычисляет значение

- 36 -

его контрольной суммы на основе содержимого и помещает это значение в

заголовок кадра Принимающая сторона также вычисляет контрольную

сумму полученного кадра и сравнивает его со значением помещенным в

заголовке Если они не совпадают то это означает что во время передачи

кадра произошла ошибка

4 Поля предназначенные для адресации абонентов в сложных сетях

(определены для протоколов применяемых в сетях базирующихся на

сложных топологиях)

Обобщенная структура кадра данных

Протоколы для сетей сложных топологий

Протоколы канального уровня этой группы являются более сложными чем

протоколы использующиеся в сетях типа точка-точка так как вынуждены

выполнять ряд дополнительных функций Основными функциями являются

Выделение на всем множестве компьютеров подключенных к сети

конкретного абонента с которым осуществляется информационный обмен

то есть адресация

Адресация абонентов

Упорядочивание доступа к среде передачи в случае когда нескольким парам

абонентов требуется осуществить передачу данных

Для обеспечения адресации абонентов в заголовке кадров должны

присутствовать следующие поля

- 37 -

1 Адрес отправителя ndash некоторое число (или набор чисел) позволяющее

идентифицировать сетевой адаптер (а следовательно и компьютер в

котором она установлена) который осуществил передачу кадра данных в

сеть Адреса присваиваются сетевым адаптерам на заводе-изготовителе и

как правило не изменяются в дальнейшем хотя большинство современных

адаптеров позволяют перепрограммировать сетевой адрес

Протоколы канального уровня и сетевые технологии

Функциональный состав того или иного протокола канального уровня во

многом определяется особенностями физического уровня например

топологией сети или типом среды передачи Поэтому при проектировании

сетевого взаимодействия используются и разрабатываются комплексные

стандарты получившие название сетевых технологий

Сетевая технология ndash это набор стандартов определяющий минимальный

состав программно-аппаратных средств достаточный для организации

взаимодействия компьютеров в сети Как правило сетевая технология

определяет топологию сети а также протокол канального уровня (формат

кадра порядок обмена кадрами MTU)

В настоящее время существует большое количество сетевых технологий и

соответственно определяемых ими протоколов канального уровня

Рассмотрим для примера одну из наиболее популярных в настоящее время

технологий ndash технологию локальных сетей Ethernet Эта технология

предполагает что сеть должна строиться на основе физических топологий

шина если используется коаксиальный кабель или звезда если

используется кабель типа витая пара В зависимости от типа используемого

кабеля скорость передачи данных лежит в диапазоне 10-100 Мбитс В

качестве метода доступа к среде передачи используется метод обнаружения

коллизий (CSMACD) Что касается формата кадра то в настоящее время на

практике используются 4 варианта кадров Ethernet отличающихся друг от

друга но все они согласуются с общими положениями изложенными ранее

Максимальный объем данных передаваемых в одном кадре (MTU) в

технологии Ethernet не может превышать 1500 байт

Помимо технологии Ethernet в настоящее время в локальных сетях широко

используются технологии AppleTalk FDDI и ATM В глобальных сетях

широко распространены технологии ATM FrameRelay ISDN и SMDS

Существует также ряд технологий использующихся для организации

беспроводных сетей Наиболее популярной технологией применяемой при

- 38 -

построении локальных сетей в настоящее время является технология

RadioEthernet Она предполагает передачу данных в двух УКВ-диапазонах

около 915 МГЦ и 2400-24835 МГц а также в инфракрасном спектре

Диапазон 915 МГц в России и Европе достаточно сильно загружен

средствами связи (сотовая телефония) поэтому он используется как

правило для организации сетей внутри зданий хотя технически позволяет

осуществлять передачу на значительные расстояния Это же ограничение

распространяется и на инфракрасный диапазон поскольку инфракрасные

лучи чувствительны к погодным условиям В зависимости от того какой

режим передачи используется сети RadioEthernet позволяют осуществлять

передачу данных со скоростью 2 - 10 Мбитс Технология RadioEthernet

предполагает построение сетей на базе топологий точка-точка и звезда В

качестве метода доступа используется метод предупреждения коллизий

(CSMACA)

Наряду с кабельными и беспроводными технологиями существуют также

технологии предполагающие комбинирование различных типов физической

среды передачи Обычно они применяются для построения асимметричных

сетей небольшие по объему запросы пользовательских компьютеров

передаются по кабельным каналам например с использованием телефонных

линий и модемов а прием осуществляется через спутниковый радиоканал

Объединение сетей на канальном уровне

Сложные сети в общем случае представляют собой совокупность

нескольких сетей Такие сети называются объединенными сетями

(internetwork)

Необходимость объединения сетей может быть вызвана разными причинами

Прежде всего это - преодоление технических ограничений среды передачи

например максимального расстояния передачи данных Кроме того

построение сети как объединенной позволяет повысить надежность (выход

из строя одной физической среды не влияет на работу остальных) и

обеспечить определенный уровень конфиденциальности (данные

передаваемые между компьютерами одной физической среды оказываются

недоступными компьютерам других сетей)

Для построения объединенных сетей требуются специальные устройства

которые позволяют подключать к себе две (или более) сети Наиболее

простым устройством такого вида является мост (bridge)

Мост

- 39 -

Принцип функционирования моста достаточно прост для подключения сетей

мост располагает несколькими портами с каждым из которых связываются

записи так называемой адресной таблицы содержащей список адресов

компьютеров сетей подключенных к мосту Когда мост получает кадр

данных то он передает его в сеть через порт который согласно таблице

соответствует адресу получателя В случае если адрес получателя не

обнаружен в адресной таблице то кадр передается во все сети Адресные

таблицы мостов как правило строятся на основе анализа кадров

передаваемых по сетям

Функции сетевого уровня

Сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе

различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне

достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети

но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети

с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это

объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

адресации определенных различными технологиями Поэтому для

обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства

представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую

абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых

технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого

уровня модели OSI

Очевидно что устройства этого уровня предназначенные для объединения

сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального

уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную

передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть

определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку

составной сети Процесс определения пути прохождения данных через

подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства

объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название

маршрутизаторов

- 40 -

Протокол IP

Протокол IP (Internet Protocol) входит в состав стека протоколов TCPIP и

является основным протоколом сетевого уровня использующимся в

Интернет и обеспечивающим единую схему логической адресации устройств

в сети и маршрутизацию данных

Для выполнения своих функций протокол определяет свой собственный

формат пакета Основными информационными полями заголовка пакета

являются

IP-адреса отправителя и получателя ndash предназначены для

идентификации отправителя и получателя (см IP-адресация)

Время жизни пакета (Time To Live TTL) - определяет время которое

IP-пакет может находиться в сети и предназначено для

предотвращения захламления сети заблудившимися пакетами

поля предназначенные для фрагментации пакетов (см IP-

фрагментация)

поля предназначенные для управления обработкой пакета (длина

пакета и заголовка контрольная сумма заголовка тип обслуживания и

тд)

Существует 5 классов IP-адресов ndash A B C D E Принадлежность IP-

адреса к тому или иному классу определяется значением первого

октета (W) Ниже показано соответствие значений первого октета и

классов адресов

Класс IP-адреса A B C D E

Диапазон первого

октета

1-

126

128-

191

192-

223

224-

239

240-

247

IP-адреса первых трех классов предназначены для адресации

отдельных узлов и отдельных сетей Такие адреса состоят из двух

частей ndash номера сети и номера узла Такая схема аналогична схеме

почтовых индексов ndash первые три цифры кодируют регион а остальные

ndash почтовое отделение внутри региона

Преимущества двухуровневой схемы очевидны она позволяет во-

первых адресовать целиком отдельные сети внутри составной сети

что необходимо для обеспечения маршрутизации а во-вторых ndash

присваивать узлам номера внутри одной сети независимо от других

сетей Естественно что компьютеры входящие в одну и ту же сеть

должны иметь IP-адреса с одинаковым номером сети

- 41 -

IP-Маршрутизация ndash процесс выбора пути для передачи пакета в сети Под

путем (маршрутом) понимается последовательность маршрутизаторов через

которые проходит пакет по пути к узлу-назначению IP-маршрутизатор ndash это

специальное устройство предназначенное для объединения сетей и

обеспечивающее определение пути прохождения пакетов в составной сети

Маршрутизатор должен иметь несколько IP-адресов с номерами сетей

соответствующими номерам объединяемых сетей

Как известно для разных сетевых технологий значение MTU определенное

для кадров данных может отличаться Поэтому при преобразовании кадров

на маршрутизаторе может потребоваться разделение вложенных в них IP-

пакетов на более мелкие пакеты

Для разделения пакетов на фрагменты модуль IP установленный на

маршрутизаторе создает на его основе некоторое число новых пакетов (в

соответствии с длиной исходного пакета и значения MTU для сети куда

должны быть переданы данные) Для того чтобы данные могли быть

правильно собраны получателем в заголовки новых IP-пакетов помещается

специальный числовой идентификатор позволяющий однозначно

определить что эти пакеты являются фрагментами одного большого пакета

Кроме того в заголовках также указывается положения фрагментов в

исходном пакете что позволяет обеспечить правильный порядок сборки

получателем

Вспомогательные протоколы сетевого уровня стека TCPIP

Главными функциями протокола IP является обеспечение единой схемы

адресации независимой от принципов адресации определяемых сетевыми

технологиями (адресацией канального уровня) а также передача данных по

составной сети (маршрутизация и фрагментация пакетов) Однако для

организации реального взаимодействия этого оказывается недостаточно -

существует еще ряд проблем

Первая проблема состоит в следующем Для того чтобы передать данные по

сети программное обеспечение протокола IP создает пакет и передает его

средствам канального уровня При этом средствам канального уровня для

формирования кадра данных необходим адрес получателя причем не

логический IP-адрес а MAC-адрес который может быть правильно опознан

сетевым адаптером принимающего компьютера Однако спецификацией

протокола IP не предусмотрен механизм позволяющий определять

соответствие между аппаратными и IP-адресами Эту функцию выполняет

вспомогательный протокол сетевого уровня ARP (Address Resolution

Protocol) входящий в семейство протоколов TCPIP

- 42 -

Другая серьезная проблема состоит в том что если при обработке IP-пакета

на маршрутизаторе возникли какие-то проблемы например истекло время

жизни пакета то отправитель о них не узнает поскольку механизм

обратной связи также не предусмотрен спецификацией протокола IP Для

решения этой проблемы используется специальный протокол сетевого

уровня ICMP (Internet Control Message Protocol) входящий в стек протоколов

TCPIP и обеспечивающий передачу управляющей информации и

информации об ошибках

В семействе протоколов TCPIP предусмотрен также ряд других

вспомогательных протоколов например протоколы динамической

маршрутизации обеспечивающие обмен информацией между

маршрутизаторами с целью автоматизации построения таблиц

маршрутизации

Транспортный уровень

Функции транспортного уровня

Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных между

устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд)

Однако не следует забывать что на одном узле может функционировать

параллельно несколько программ которым требуется доступ к сети

Следовательно данные внутри компьютерной системы должны

распределяться между программами Поэтому при передаче данных по сети

недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо также

идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является

отсутствие средств позволяющих передавать большие массивы данных

Когда исходные данные превышают максимально допустимый размер пакета

сетевого уровня то эти данные должны быть разбиты на порции каждая из

которых передается в сеть отдельным пакетом Однако каждый пакет

сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других блок

данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и

следовательно ndash обнаружить нарушение целостности общего массива

данных Поэтому средства транспортного уровня обеспечивают отсутствие

потерь информации Такой режим передачи данных получил название

гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой

- 43 -

функциональную надстройку над сетевым уровнем и решают две основных

задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

обеспечение гарантированной доставки массивов данных

произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash

UDP обеспечивающий негарантированную доставку данных между

программами и TCP обеспечивающий гарантированную доставку с

установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной

уровень

Компоненты четырех нижних уровней модели OSI (физического канального

сетевого и транспортного) представляют собой механизм обеспечивающий

доставку данных любого типа и произвольного объема между программами

работающими на разных узлах составной сети Однако при работе в сети

пользователям требуется не просто пересылка данных а выполнение каких-

либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех

возможностей которые предоставляют средства нижних уровней

недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо

просмотреть документ расположенный не на его локальном компьютере а

на удаленной машине Решение такой задачи предполагает как минимум

прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса

содержащего имя документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного

компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной

машины изменений вносимых в этот документ другими пользователями и

уведомление об этом пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав

пользователя на работу с документом что предполагает дополнительный

- 44 -

обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних

уровней не имеют средств позволяющих реализовать специфику такого

взаимодействия Поэтому для его организации требуются дополнительные

надстройки над средствами транспортного и нижележащих уровней В

эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный уровень

уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или

сессии) при длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое

(виртуальное) соединение между двумя программами в общем случае

функционирующими на разных компьютерах В простейшем случае

установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти

необходимых для приема и передачи данных После окончания передачи

данных происходит закрытие соединения предполагающее освобождение

выделенных ресурсов Во многих случаях этого недостаточно поэтому

сессионный уровень предлагает более сложные механизмы для организации

сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая

поддержка осуществляется путем периодической отправки специальных

тестовых пакетов при получении которых участник соединения должен

ответить Возвращаясь к предложенному выше примеру следует отметить

что установление соединения при работе с удаленным документом позволяет

один раз перед началом работы проверить права доступа пользователя а

также один раз передать запрос с именем файла В случае если бы

соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог

бы уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться

дополнительное преобразование Например это необходимо в случае если

взаимодействующие программы используют различные способы кодировки

текстовой информации или если для обеспечения защиты информации

требуется осуществлять шифрование данных Обеспечение подобных

промежуточных преобразований возложено на уровень представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными

уровнями Они позволяют осуществлять работу с различными

информационными ресурсами сети например файлами или сообщениями

электронной почты Естественно что различные типы ресурсов в общем

случае требуют различных методов обработки и в том числе методов

сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI

- 45 -

является прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции

работы с конкретными информационными объектами В предложенном выше

примере (чтение удаленного документа) к функциям прикладного протокола

относятся формирование запросов на получение документа проверка прав

доступа а также определение порядка пересылки файлов и уведомлений об

изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами

определяемых протоколами прикладного уровня часть функций сессионного

уровня и уровня представления может оказаться избыточной поэтому при

программной реализации три верхних уровня обычно объединяются

Page 28: - 3 - ВВЕДЕНИЕicm.muctr.ru/study/computers/inf001.pdf · 2016-08-25 · - 7 - А) Количество информации как мера уменьшения неопределенности

- 30 -

Кабель (cable) используемый для построения компьютерных сетей

представляет собой сложную конструкцию состоящую в общем случае из

проводников изолирующих и экранирующих слоев В современных сетях

используются три типа кабеля

Еще одним важным понятием физического уровня является способ

соединения компьютеров с помощью физической среды или топология сети

Если сеть состоит всего из двух компьютеров то они соединяются

напрямую Такой способ соединения получил название точка-точка

(point-to-point)

Соединение типа точка-точка

Для обеспечения связи более чем двух компьютеров может использоваться

последовательность соединений типа точка-точка

Последовательность соединений типа точка-точка

Однако такой подход требует установки на большую часть компьютеров

нескольких устройств передачи данных

В качестве альтернативного подхода возможно использование более

сложных топологий позволяющих подключить к общей среде сразу

несколько компьютеров имеющих по одному устройству передачи данных

- 31 -

Выделяют три базовые топологии Шина (bus) Кольцо (ring)

Звезда(star)

Топология laquoШинаraquo

Топология Шина

Эта топология использует один передающий канал на базе коаксиального

кабеля называемый шиной Все сетевые компьютеры присоединяются

напрямую к шине На концах кабеля-шины устанавливаются специальные

заглушки - терминаторы (terminator) Они необходимы для того чтобы

погасить сигнал после прохождения по шине К недостаткам топологии

Шина следует отнести следующее

данные предаваемые по кабелю доступны всем подключенным

компьютерам

в случае повреждения шины вся сеть перестает функционировать

Топология laquoКольцоraquo

Топология Кольцо

Для топологии кольцо характерно отсутствие конечных точек соединения

сеть замкнута образуя неразрывное кольцо по которому передаются данные

Эта топология подразумевает следующий механизм передачи данные

передаются последовательно от одного компьютера к другому пока не

- 32 -

достигнут компьютера-получателя Недостатки топологии кольцо те же то

и у топологии шина

общедоступность данных

неустойчивость к повреждениям кабельной системы

Топология laquoЗвездаraquo

Топология Звезда

В сети с топологией звезда все компьютеры соединены со специальным

устройством называемым сетевым концентратором или хабом (hub)

который выполняет функции распределения данных Прямые соединения

двух компьютеров в сети отсутствуют Благодаря этому имеется

возможность решения проблемы общедоступности данных а также

повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы Однако

функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора

Физическая и логическая топологии

Следует отметить что термин топология может употребляться для

обозначения двух понятий ndash физической топологии и логической топологии

Физическая топология ndash способ физического соединения компьютеров с

помощью среды передачи например участками кабеля Логическая

топология определяет маршруты передачи данных в сети Во многих

случаях физическая топология однозначно определяет логическую

топологию Однако существуют такие конфигурации в которых логическая

топология отличается от физической Например сеть с физической

- 33 -

топологией laquoзвездаraquo может иметь логическую топологию laquoшинаraquo ndash все

зависит от того каким образом устроен сетевой концентратор

Кодированиедекодирование данных Как известно данные обрабатываемые

компьютером представляются в двоичном виде - как последовательность

нулей и единиц Однако понятия нуль и единица являются логическими

понятиями обозначающими электрические сигналы отличающиеся друг от

друга физическими параметрами и использующиеся для представления

информации в различных устройствах например оперативной памяти или

центральном процессоре В силу различных технических причин эти сигналы

не всегда могут передаваться по физическим каналам связи Поэтому они

должны быть преобразованы Процесс преобразования сигналов удобных

для компьютера в сигналы которые могут быть переданы по сети

называется физическим кодированием а обратное преобразование -

декодированием

Передача сигналов Информационные сигналы передаются по физическим

линиям связи последовательно В случае если между передающей и

принимающей сторонами параллельно существуют более одной линии

например проложено несколько кабелей то оказывается возможным

одновременно (параллельно) передавать несколько сигналов Если эти

сигналы представляют различные биты передаваемых данных то

повышается скорость информационного обмена Если же сигналы

представляют один и тот же бит данных - то повышается надежность

взаимодействия

Канальный уровень

Канальный уровень отвечает за организацию передачи данных

между абонентами через физический уровень поэтому на данном

уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к общему физическому

каналу В функции данного уровня также входит упорядочивание

передачи с целью обеспечения возможности параллельного

использования одного физического канала несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем Большинство функций канального уровня

выполняются устройствами передачи данных (например сетевым

- 34 -

адаптером)

Метод коммутации

дной из центральных проблем организации передачи данных по физическим

каналам является проблема параллельного использования одного и того же

канала несколькими парами абонентов Методы лежащие в основе ее

решения получили название методов коммутации

В настоящее время существует два основных метода коммутации

коммутация каналов и коммутация пакетов

Коммутация каналов предполагает что перед началом передачи данных

должна быть выполнена процедура установления соединения в результате

которой образуется составной канал По окончании сеанса связи соединение

разрывается и канал освобождается Классическим примером реализации

коммутации каналов является телефонная связь которая подразумевает что

абонент перед началом разговора набирает номер второго абонента в

результате чего последовательное переключение промежуточных

коммутаторов позволяет образовать непрерывный канал связи между

абонентами Коммутация каналов удобна для организации линий связи в

которых подразумевается передача потоков данных постоянной

интенсивности например таких как телефонный разговор в силу чего этот

метод оказывается недостаточно гибким при построении компьютерных

сетей

Метод коммутации пакетов основан на разбиении передаваемых по сети

данных на небольшие порции Каждая такая порция передается по сети

как единое целое и называется пакетом Такой метод является очень

удобным для параллельного использования физического канала несколькими

парами абонентов канал является занятым только во время прохождения

пакета Временные промежутки между передачей пакетов одним абонентам

могут быть использованы другими для отправки собственных пакетов

Пакет обычно состоит из двух частей ndash заголовка содержащего служебные

данные необходимые для управления доставкой пакета и собственно

данных подлежащих передаче Порядок обмена пакетами а также

конкретный состав заголовка пакетов определяется сетевым протоколом

Для именования пакетов различных уровней модели OSI используются

специальные термины Для канального уровня используется термин кадр

для сетевого ndash пакет для транспортного ndash сегмент дейтаграмма для

сессионного и более высоких уровней ndash сообщение

- 35 -

Протоколы канального уровня

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена

способ представления информации а также необходимый набор правил

позволяющий упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток

битов Перед передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с

принципом пакетной коммутации разделяется на порции каждая из

которых снабжается заголовком содержащим некоторую служебную

информацию те формируется пакет На канальном уровне пакет называется

кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает

протокол Сложность канальных протоколов во многом определяется

сложностью топологии сети Очевидно что организовать общение всего двух

абонентов существенно проще чем упорядочивать информационный обмен в

сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких пар

абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Структура кадра данных

Состав заголовка кадра зависит от многих факторов определяемых набором

функций которые выполняет протокол Тем не менее можно выделить ряд

информационных полей которые обычно присутствуют в заголовке кадра К

таким полям относятся

1 Специальные поля предназначенные для определения границ кадров

Поскольку в физической среде могут постоянно проходить какие-либо

сигналы то сетевые адаптеры должны уметь разбираться в том когда

начинается передача кадра и когда она заканчивается

2 Поле предназначенное для определения протокола сетевого уровня

которому необходимо передать данные Так как на одном компьютере могут

функционировать программные модули различных протоколов сетевого

уровня то протоколы канального уровня должны уметь распределять данные

по этим протоколам

3 Контрольная сумма (или специальный код) содержимого кадра которая

позволяет принимающей стороне определить наличие ошибок в принятых

данных Принцип ее использования состоит в следующем Сетевой адаптер

отправляющего компьютера после формирования кадра вычисляет значение

- 36 -

его контрольной суммы на основе содержимого и помещает это значение в

заголовок кадра Принимающая сторона также вычисляет контрольную

сумму полученного кадра и сравнивает его со значением помещенным в

заголовке Если они не совпадают то это означает что во время передачи

кадра произошла ошибка

4 Поля предназначенные для адресации абонентов в сложных сетях

(определены для протоколов применяемых в сетях базирующихся на

сложных топологиях)

Обобщенная структура кадра данных

Протоколы для сетей сложных топологий

Протоколы канального уровня этой группы являются более сложными чем

протоколы использующиеся в сетях типа точка-точка так как вынуждены

выполнять ряд дополнительных функций Основными функциями являются

Выделение на всем множестве компьютеров подключенных к сети

конкретного абонента с которым осуществляется информационный обмен

то есть адресация

Адресация абонентов

Упорядочивание доступа к среде передачи в случае когда нескольким парам

абонентов требуется осуществить передачу данных

Для обеспечения адресации абонентов в заголовке кадров должны

присутствовать следующие поля

- 37 -

1 Адрес отправителя ndash некоторое число (или набор чисел) позволяющее

идентифицировать сетевой адаптер (а следовательно и компьютер в

котором она установлена) который осуществил передачу кадра данных в

сеть Адреса присваиваются сетевым адаптерам на заводе-изготовителе и

как правило не изменяются в дальнейшем хотя большинство современных

адаптеров позволяют перепрограммировать сетевой адрес

Протоколы канального уровня и сетевые технологии

Функциональный состав того или иного протокола канального уровня во

многом определяется особенностями физического уровня например

топологией сети или типом среды передачи Поэтому при проектировании

сетевого взаимодействия используются и разрабатываются комплексные

стандарты получившие название сетевых технологий

Сетевая технология ndash это набор стандартов определяющий минимальный

состав программно-аппаратных средств достаточный для организации

взаимодействия компьютеров в сети Как правило сетевая технология

определяет топологию сети а также протокол канального уровня (формат

кадра порядок обмена кадрами MTU)

В настоящее время существует большое количество сетевых технологий и

соответственно определяемых ими протоколов канального уровня

Рассмотрим для примера одну из наиболее популярных в настоящее время

технологий ndash технологию локальных сетей Ethernet Эта технология

предполагает что сеть должна строиться на основе физических топологий

шина если используется коаксиальный кабель или звезда если

используется кабель типа витая пара В зависимости от типа используемого

кабеля скорость передачи данных лежит в диапазоне 10-100 Мбитс В

качестве метода доступа к среде передачи используется метод обнаружения

коллизий (CSMACD) Что касается формата кадра то в настоящее время на

практике используются 4 варианта кадров Ethernet отличающихся друг от

друга но все они согласуются с общими положениями изложенными ранее

Максимальный объем данных передаваемых в одном кадре (MTU) в

технологии Ethernet не может превышать 1500 байт

Помимо технологии Ethernet в настоящее время в локальных сетях широко

используются технологии AppleTalk FDDI и ATM В глобальных сетях

широко распространены технологии ATM FrameRelay ISDN и SMDS

Существует также ряд технологий использующихся для организации

беспроводных сетей Наиболее популярной технологией применяемой при

- 38 -

построении локальных сетей в настоящее время является технология

RadioEthernet Она предполагает передачу данных в двух УКВ-диапазонах

около 915 МГЦ и 2400-24835 МГц а также в инфракрасном спектре

Диапазон 915 МГц в России и Европе достаточно сильно загружен

средствами связи (сотовая телефония) поэтому он используется как

правило для организации сетей внутри зданий хотя технически позволяет

осуществлять передачу на значительные расстояния Это же ограничение

распространяется и на инфракрасный диапазон поскольку инфракрасные

лучи чувствительны к погодным условиям В зависимости от того какой

режим передачи используется сети RadioEthernet позволяют осуществлять

передачу данных со скоростью 2 - 10 Мбитс Технология RadioEthernet

предполагает построение сетей на базе топологий точка-точка и звезда В

качестве метода доступа используется метод предупреждения коллизий

(CSMACA)

Наряду с кабельными и беспроводными технологиями существуют также

технологии предполагающие комбинирование различных типов физической

среды передачи Обычно они применяются для построения асимметричных

сетей небольшие по объему запросы пользовательских компьютеров

передаются по кабельным каналам например с использованием телефонных

линий и модемов а прием осуществляется через спутниковый радиоканал

Объединение сетей на канальном уровне

Сложные сети в общем случае представляют собой совокупность

нескольких сетей Такие сети называются объединенными сетями

(internetwork)

Необходимость объединения сетей может быть вызвана разными причинами

Прежде всего это - преодоление технических ограничений среды передачи

например максимального расстояния передачи данных Кроме того

построение сети как объединенной позволяет повысить надежность (выход

из строя одной физической среды не влияет на работу остальных) и

обеспечить определенный уровень конфиденциальности (данные

передаваемые между компьютерами одной физической среды оказываются

недоступными компьютерам других сетей)

Для построения объединенных сетей требуются специальные устройства

которые позволяют подключать к себе две (или более) сети Наиболее

простым устройством такого вида является мост (bridge)

Мост

- 39 -

Принцип функционирования моста достаточно прост для подключения сетей

мост располагает несколькими портами с каждым из которых связываются

записи так называемой адресной таблицы содержащей список адресов

компьютеров сетей подключенных к мосту Когда мост получает кадр

данных то он передает его в сеть через порт который согласно таблице

соответствует адресу получателя В случае если адрес получателя не

обнаружен в адресной таблице то кадр передается во все сети Адресные

таблицы мостов как правило строятся на основе анализа кадров

передаваемых по сетям

Функции сетевого уровня

Сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе

различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне

достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети

но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети

с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это

объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

адресации определенных различными технологиями Поэтому для

обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства

представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую

абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых

технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого

уровня модели OSI

Очевидно что устройства этого уровня предназначенные для объединения

сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального

уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную

передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть

определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку

составной сети Процесс определения пути прохождения данных через

подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства

объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название

маршрутизаторов

- 40 -

Протокол IP

Протокол IP (Internet Protocol) входит в состав стека протоколов TCPIP и

является основным протоколом сетевого уровня использующимся в

Интернет и обеспечивающим единую схему логической адресации устройств

в сети и маршрутизацию данных

Для выполнения своих функций протокол определяет свой собственный

формат пакета Основными информационными полями заголовка пакета

являются

IP-адреса отправителя и получателя ndash предназначены для

идентификации отправителя и получателя (см IP-адресация)

Время жизни пакета (Time To Live TTL) - определяет время которое

IP-пакет может находиться в сети и предназначено для

предотвращения захламления сети заблудившимися пакетами

поля предназначенные для фрагментации пакетов (см IP-

фрагментация)

поля предназначенные для управления обработкой пакета (длина

пакета и заголовка контрольная сумма заголовка тип обслуживания и

тд)

Существует 5 классов IP-адресов ndash A B C D E Принадлежность IP-

адреса к тому или иному классу определяется значением первого

октета (W) Ниже показано соответствие значений первого октета и

классов адресов

Класс IP-адреса A B C D E

Диапазон первого

октета

1-

126

128-

191

192-

223

224-

239

240-

247

IP-адреса первых трех классов предназначены для адресации

отдельных узлов и отдельных сетей Такие адреса состоят из двух

частей ndash номера сети и номера узла Такая схема аналогична схеме

почтовых индексов ndash первые три цифры кодируют регион а остальные

ndash почтовое отделение внутри региона

Преимущества двухуровневой схемы очевидны она позволяет во-

первых адресовать целиком отдельные сети внутри составной сети

что необходимо для обеспечения маршрутизации а во-вторых ndash

присваивать узлам номера внутри одной сети независимо от других

сетей Естественно что компьютеры входящие в одну и ту же сеть

должны иметь IP-адреса с одинаковым номером сети

- 41 -

IP-Маршрутизация ndash процесс выбора пути для передачи пакета в сети Под

путем (маршрутом) понимается последовательность маршрутизаторов через

которые проходит пакет по пути к узлу-назначению IP-маршрутизатор ndash это

специальное устройство предназначенное для объединения сетей и

обеспечивающее определение пути прохождения пакетов в составной сети

Маршрутизатор должен иметь несколько IP-адресов с номерами сетей

соответствующими номерам объединяемых сетей

Как известно для разных сетевых технологий значение MTU определенное

для кадров данных может отличаться Поэтому при преобразовании кадров

на маршрутизаторе может потребоваться разделение вложенных в них IP-

пакетов на более мелкие пакеты

Для разделения пакетов на фрагменты модуль IP установленный на

маршрутизаторе создает на его основе некоторое число новых пакетов (в

соответствии с длиной исходного пакета и значения MTU для сети куда

должны быть переданы данные) Для того чтобы данные могли быть

правильно собраны получателем в заголовки новых IP-пакетов помещается

специальный числовой идентификатор позволяющий однозначно

определить что эти пакеты являются фрагментами одного большого пакета

Кроме того в заголовках также указывается положения фрагментов в

исходном пакете что позволяет обеспечить правильный порядок сборки

получателем

Вспомогательные протоколы сетевого уровня стека TCPIP

Главными функциями протокола IP является обеспечение единой схемы

адресации независимой от принципов адресации определяемых сетевыми

технологиями (адресацией канального уровня) а также передача данных по

составной сети (маршрутизация и фрагментация пакетов) Однако для

организации реального взаимодействия этого оказывается недостаточно -

существует еще ряд проблем

Первая проблема состоит в следующем Для того чтобы передать данные по

сети программное обеспечение протокола IP создает пакет и передает его

средствам канального уровня При этом средствам канального уровня для

формирования кадра данных необходим адрес получателя причем не

логический IP-адрес а MAC-адрес который может быть правильно опознан

сетевым адаптером принимающего компьютера Однако спецификацией

протокола IP не предусмотрен механизм позволяющий определять

соответствие между аппаратными и IP-адресами Эту функцию выполняет

вспомогательный протокол сетевого уровня ARP (Address Resolution

Protocol) входящий в семейство протоколов TCPIP

- 42 -

Другая серьезная проблема состоит в том что если при обработке IP-пакета

на маршрутизаторе возникли какие-то проблемы например истекло время

жизни пакета то отправитель о них не узнает поскольку механизм

обратной связи также не предусмотрен спецификацией протокола IP Для

решения этой проблемы используется специальный протокол сетевого

уровня ICMP (Internet Control Message Protocol) входящий в стек протоколов

TCPIP и обеспечивающий передачу управляющей информации и

информации об ошибках

В семействе протоколов TCPIP предусмотрен также ряд других

вспомогательных протоколов например протоколы динамической

маршрутизации обеспечивающие обмен информацией между

маршрутизаторами с целью автоматизации построения таблиц

маршрутизации

Транспортный уровень

Функции транспортного уровня

Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных между

устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд)

Однако не следует забывать что на одном узле может функционировать

параллельно несколько программ которым требуется доступ к сети

Следовательно данные внутри компьютерной системы должны

распределяться между программами Поэтому при передаче данных по сети

недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо также

идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является

отсутствие средств позволяющих передавать большие массивы данных

Когда исходные данные превышают максимально допустимый размер пакета

сетевого уровня то эти данные должны быть разбиты на порции каждая из

которых передается в сеть отдельным пакетом Однако каждый пакет

сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других блок

данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и

следовательно ndash обнаружить нарушение целостности общего массива

данных Поэтому средства транспортного уровня обеспечивают отсутствие

потерь информации Такой режим передачи данных получил название

гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой

- 43 -

функциональную надстройку над сетевым уровнем и решают две основных

задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

обеспечение гарантированной доставки массивов данных

произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash

UDP обеспечивающий негарантированную доставку данных между

программами и TCP обеспечивающий гарантированную доставку с

установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной

уровень

Компоненты четырех нижних уровней модели OSI (физического канального

сетевого и транспортного) представляют собой механизм обеспечивающий

доставку данных любого типа и произвольного объема между программами

работающими на разных узлах составной сети Однако при работе в сети

пользователям требуется не просто пересылка данных а выполнение каких-

либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех

возможностей которые предоставляют средства нижних уровней

недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо

просмотреть документ расположенный не на его локальном компьютере а

на удаленной машине Решение такой задачи предполагает как минимум

прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса

содержащего имя документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного

компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной

машины изменений вносимых в этот документ другими пользователями и

уведомление об этом пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав

пользователя на работу с документом что предполагает дополнительный

- 44 -

обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних

уровней не имеют средств позволяющих реализовать специфику такого

взаимодействия Поэтому для его организации требуются дополнительные

надстройки над средствами транспортного и нижележащих уровней В

эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный уровень

уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или

сессии) при длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое

(виртуальное) соединение между двумя программами в общем случае

функционирующими на разных компьютерах В простейшем случае

установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти

необходимых для приема и передачи данных После окончания передачи

данных происходит закрытие соединения предполагающее освобождение

выделенных ресурсов Во многих случаях этого недостаточно поэтому

сессионный уровень предлагает более сложные механизмы для организации

сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая

поддержка осуществляется путем периодической отправки специальных

тестовых пакетов при получении которых участник соединения должен

ответить Возвращаясь к предложенному выше примеру следует отметить

что установление соединения при работе с удаленным документом позволяет

один раз перед началом работы проверить права доступа пользователя а

также один раз передать запрос с именем файла В случае если бы

соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог

бы уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться

дополнительное преобразование Например это необходимо в случае если

взаимодействующие программы используют различные способы кодировки

текстовой информации или если для обеспечения защиты информации

требуется осуществлять шифрование данных Обеспечение подобных

промежуточных преобразований возложено на уровень представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными

уровнями Они позволяют осуществлять работу с различными

информационными ресурсами сети например файлами или сообщениями

электронной почты Естественно что различные типы ресурсов в общем

случае требуют различных методов обработки и в том числе методов

сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI

- 45 -

является прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции

работы с конкретными информационными объектами В предложенном выше

примере (чтение удаленного документа) к функциям прикладного протокола

относятся формирование запросов на получение документа проверка прав

доступа а также определение порядка пересылки файлов и уведомлений об

изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами

определяемых протоколами прикладного уровня часть функций сессионного

уровня и уровня представления может оказаться избыточной поэтому при

программной реализации три верхних уровня обычно объединяются

Page 29: - 3 - ВВЕДЕНИЕicm.muctr.ru/study/computers/inf001.pdf · 2016-08-25 · - 7 - А) Количество информации как мера уменьшения неопределенности

- 31 -

Выделяют три базовые топологии Шина (bus) Кольцо (ring)

Звезда(star)

Топология laquoШинаraquo

Топология Шина

Эта топология использует один передающий канал на базе коаксиального

кабеля называемый шиной Все сетевые компьютеры присоединяются

напрямую к шине На концах кабеля-шины устанавливаются специальные

заглушки - терминаторы (terminator) Они необходимы для того чтобы

погасить сигнал после прохождения по шине К недостаткам топологии

Шина следует отнести следующее

данные предаваемые по кабелю доступны всем подключенным

компьютерам

в случае повреждения шины вся сеть перестает функционировать

Топология laquoКольцоraquo

Топология Кольцо

Для топологии кольцо характерно отсутствие конечных точек соединения

сеть замкнута образуя неразрывное кольцо по которому передаются данные

Эта топология подразумевает следующий механизм передачи данные

передаются последовательно от одного компьютера к другому пока не

- 32 -

достигнут компьютера-получателя Недостатки топологии кольцо те же то

и у топологии шина

общедоступность данных

неустойчивость к повреждениям кабельной системы

Топология laquoЗвездаraquo

Топология Звезда

В сети с топологией звезда все компьютеры соединены со специальным

устройством называемым сетевым концентратором или хабом (hub)

который выполняет функции распределения данных Прямые соединения

двух компьютеров в сети отсутствуют Благодаря этому имеется

возможность решения проблемы общедоступности данных а также

повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы Однако

функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора

Физическая и логическая топологии

Следует отметить что термин топология может употребляться для

обозначения двух понятий ndash физической топологии и логической топологии

Физическая топология ndash способ физического соединения компьютеров с

помощью среды передачи например участками кабеля Логическая

топология определяет маршруты передачи данных в сети Во многих

случаях физическая топология однозначно определяет логическую

топологию Однако существуют такие конфигурации в которых логическая

топология отличается от физической Например сеть с физической

- 33 -

топологией laquoзвездаraquo может иметь логическую топологию laquoшинаraquo ndash все

зависит от того каким образом устроен сетевой концентратор

Кодированиедекодирование данных Как известно данные обрабатываемые

компьютером представляются в двоичном виде - как последовательность

нулей и единиц Однако понятия нуль и единица являются логическими

понятиями обозначающими электрические сигналы отличающиеся друг от

друга физическими параметрами и использующиеся для представления

информации в различных устройствах например оперативной памяти или

центральном процессоре В силу различных технических причин эти сигналы

не всегда могут передаваться по физическим каналам связи Поэтому они

должны быть преобразованы Процесс преобразования сигналов удобных

для компьютера в сигналы которые могут быть переданы по сети

называется физическим кодированием а обратное преобразование -

декодированием

Передача сигналов Информационные сигналы передаются по физическим

линиям связи последовательно В случае если между передающей и

принимающей сторонами параллельно существуют более одной линии

например проложено несколько кабелей то оказывается возможным

одновременно (параллельно) передавать несколько сигналов Если эти

сигналы представляют различные биты передаваемых данных то

повышается скорость информационного обмена Если же сигналы

представляют один и тот же бит данных - то повышается надежность

взаимодействия

Канальный уровень

Канальный уровень отвечает за организацию передачи данных

между абонентами через физический уровень поэтому на данном

уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к общему физическому

каналу В функции данного уровня также входит упорядочивание

передачи с целью обеспечения возможности параллельного

использования одного физического канала несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем Большинство функций канального уровня

выполняются устройствами передачи данных (например сетевым

- 34 -

адаптером)

Метод коммутации

дной из центральных проблем организации передачи данных по физическим

каналам является проблема параллельного использования одного и того же

канала несколькими парами абонентов Методы лежащие в основе ее

решения получили название методов коммутации

В настоящее время существует два основных метода коммутации

коммутация каналов и коммутация пакетов

Коммутация каналов предполагает что перед началом передачи данных

должна быть выполнена процедура установления соединения в результате

которой образуется составной канал По окончании сеанса связи соединение

разрывается и канал освобождается Классическим примером реализации

коммутации каналов является телефонная связь которая подразумевает что

абонент перед началом разговора набирает номер второго абонента в

результате чего последовательное переключение промежуточных

коммутаторов позволяет образовать непрерывный канал связи между

абонентами Коммутация каналов удобна для организации линий связи в

которых подразумевается передача потоков данных постоянной

интенсивности например таких как телефонный разговор в силу чего этот

метод оказывается недостаточно гибким при построении компьютерных

сетей

Метод коммутации пакетов основан на разбиении передаваемых по сети

данных на небольшие порции Каждая такая порция передается по сети

как единое целое и называется пакетом Такой метод является очень

удобным для параллельного использования физического канала несколькими

парами абонентов канал является занятым только во время прохождения

пакета Временные промежутки между передачей пакетов одним абонентам

могут быть использованы другими для отправки собственных пакетов

Пакет обычно состоит из двух частей ndash заголовка содержащего служебные

данные необходимые для управления доставкой пакета и собственно

данных подлежащих передаче Порядок обмена пакетами а также

конкретный состав заголовка пакетов определяется сетевым протоколом

Для именования пакетов различных уровней модели OSI используются

специальные термины Для канального уровня используется термин кадр

для сетевого ndash пакет для транспортного ndash сегмент дейтаграмма для

сессионного и более высоких уровней ndash сообщение

- 35 -

Протоколы канального уровня

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена

способ представления информации а также необходимый набор правил

позволяющий упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток

битов Перед передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с

принципом пакетной коммутации разделяется на порции каждая из

которых снабжается заголовком содержащим некоторую служебную

информацию те формируется пакет На канальном уровне пакет называется

кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает

протокол Сложность канальных протоколов во многом определяется

сложностью топологии сети Очевидно что организовать общение всего двух

абонентов существенно проще чем упорядочивать информационный обмен в

сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких пар

абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Структура кадра данных

Состав заголовка кадра зависит от многих факторов определяемых набором

функций которые выполняет протокол Тем не менее можно выделить ряд

информационных полей которые обычно присутствуют в заголовке кадра К

таким полям относятся

1 Специальные поля предназначенные для определения границ кадров

Поскольку в физической среде могут постоянно проходить какие-либо

сигналы то сетевые адаптеры должны уметь разбираться в том когда

начинается передача кадра и когда она заканчивается

2 Поле предназначенное для определения протокола сетевого уровня

которому необходимо передать данные Так как на одном компьютере могут

функционировать программные модули различных протоколов сетевого

уровня то протоколы канального уровня должны уметь распределять данные

по этим протоколам

3 Контрольная сумма (или специальный код) содержимого кадра которая

позволяет принимающей стороне определить наличие ошибок в принятых

данных Принцип ее использования состоит в следующем Сетевой адаптер

отправляющего компьютера после формирования кадра вычисляет значение

- 36 -

его контрольной суммы на основе содержимого и помещает это значение в

заголовок кадра Принимающая сторона также вычисляет контрольную

сумму полученного кадра и сравнивает его со значением помещенным в

заголовке Если они не совпадают то это означает что во время передачи

кадра произошла ошибка

4 Поля предназначенные для адресации абонентов в сложных сетях

(определены для протоколов применяемых в сетях базирующихся на

сложных топологиях)

Обобщенная структура кадра данных

Протоколы для сетей сложных топологий

Протоколы канального уровня этой группы являются более сложными чем

протоколы использующиеся в сетях типа точка-точка так как вынуждены

выполнять ряд дополнительных функций Основными функциями являются

Выделение на всем множестве компьютеров подключенных к сети

конкретного абонента с которым осуществляется информационный обмен

то есть адресация

Адресация абонентов

Упорядочивание доступа к среде передачи в случае когда нескольким парам

абонентов требуется осуществить передачу данных

Для обеспечения адресации абонентов в заголовке кадров должны

присутствовать следующие поля

- 37 -

1 Адрес отправителя ndash некоторое число (или набор чисел) позволяющее

идентифицировать сетевой адаптер (а следовательно и компьютер в

котором она установлена) который осуществил передачу кадра данных в

сеть Адреса присваиваются сетевым адаптерам на заводе-изготовителе и

как правило не изменяются в дальнейшем хотя большинство современных

адаптеров позволяют перепрограммировать сетевой адрес

Протоколы канального уровня и сетевые технологии

Функциональный состав того или иного протокола канального уровня во

многом определяется особенностями физического уровня например

топологией сети или типом среды передачи Поэтому при проектировании

сетевого взаимодействия используются и разрабатываются комплексные

стандарты получившие название сетевых технологий

Сетевая технология ndash это набор стандартов определяющий минимальный

состав программно-аппаратных средств достаточный для организации

взаимодействия компьютеров в сети Как правило сетевая технология

определяет топологию сети а также протокол канального уровня (формат

кадра порядок обмена кадрами MTU)

В настоящее время существует большое количество сетевых технологий и

соответственно определяемых ими протоколов канального уровня

Рассмотрим для примера одну из наиболее популярных в настоящее время

технологий ndash технологию локальных сетей Ethernet Эта технология

предполагает что сеть должна строиться на основе физических топологий

шина если используется коаксиальный кабель или звезда если

используется кабель типа витая пара В зависимости от типа используемого

кабеля скорость передачи данных лежит в диапазоне 10-100 Мбитс В

качестве метода доступа к среде передачи используется метод обнаружения

коллизий (CSMACD) Что касается формата кадра то в настоящее время на

практике используются 4 варианта кадров Ethernet отличающихся друг от

друга но все они согласуются с общими положениями изложенными ранее

Максимальный объем данных передаваемых в одном кадре (MTU) в

технологии Ethernet не может превышать 1500 байт

Помимо технологии Ethernet в настоящее время в локальных сетях широко

используются технологии AppleTalk FDDI и ATM В глобальных сетях

широко распространены технологии ATM FrameRelay ISDN и SMDS

Существует также ряд технологий использующихся для организации

беспроводных сетей Наиболее популярной технологией применяемой при

- 38 -

построении локальных сетей в настоящее время является технология

RadioEthernet Она предполагает передачу данных в двух УКВ-диапазонах

около 915 МГЦ и 2400-24835 МГц а также в инфракрасном спектре

Диапазон 915 МГц в России и Европе достаточно сильно загружен

средствами связи (сотовая телефония) поэтому он используется как

правило для организации сетей внутри зданий хотя технически позволяет

осуществлять передачу на значительные расстояния Это же ограничение

распространяется и на инфракрасный диапазон поскольку инфракрасные

лучи чувствительны к погодным условиям В зависимости от того какой

режим передачи используется сети RadioEthernet позволяют осуществлять

передачу данных со скоростью 2 - 10 Мбитс Технология RadioEthernet

предполагает построение сетей на базе топологий точка-точка и звезда В

качестве метода доступа используется метод предупреждения коллизий

(CSMACA)

Наряду с кабельными и беспроводными технологиями существуют также

технологии предполагающие комбинирование различных типов физической

среды передачи Обычно они применяются для построения асимметричных

сетей небольшие по объему запросы пользовательских компьютеров

передаются по кабельным каналам например с использованием телефонных

линий и модемов а прием осуществляется через спутниковый радиоканал

Объединение сетей на канальном уровне

Сложные сети в общем случае представляют собой совокупность

нескольких сетей Такие сети называются объединенными сетями

(internetwork)

Необходимость объединения сетей может быть вызвана разными причинами

Прежде всего это - преодоление технических ограничений среды передачи

например максимального расстояния передачи данных Кроме того

построение сети как объединенной позволяет повысить надежность (выход

из строя одной физической среды не влияет на работу остальных) и

обеспечить определенный уровень конфиденциальности (данные

передаваемые между компьютерами одной физической среды оказываются

недоступными компьютерам других сетей)

Для построения объединенных сетей требуются специальные устройства

которые позволяют подключать к себе две (или более) сети Наиболее

простым устройством такого вида является мост (bridge)

Мост

- 39 -

Принцип функционирования моста достаточно прост для подключения сетей

мост располагает несколькими портами с каждым из которых связываются

записи так называемой адресной таблицы содержащей список адресов

компьютеров сетей подключенных к мосту Когда мост получает кадр

данных то он передает его в сеть через порт который согласно таблице

соответствует адресу получателя В случае если адрес получателя не

обнаружен в адресной таблице то кадр передается во все сети Адресные

таблицы мостов как правило строятся на основе анализа кадров

передаваемых по сетям

Функции сетевого уровня

Сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе

различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне

достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети

но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети

с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это

объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

адресации определенных различными технологиями Поэтому для

обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства

представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую

абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых

технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого

уровня модели OSI

Очевидно что устройства этого уровня предназначенные для объединения

сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального

уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную

передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть

определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку

составной сети Процесс определения пути прохождения данных через

подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства

объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название

маршрутизаторов

- 40 -

Протокол IP

Протокол IP (Internet Protocol) входит в состав стека протоколов TCPIP и

является основным протоколом сетевого уровня использующимся в

Интернет и обеспечивающим единую схему логической адресации устройств

в сети и маршрутизацию данных

Для выполнения своих функций протокол определяет свой собственный

формат пакета Основными информационными полями заголовка пакета

являются

IP-адреса отправителя и получателя ndash предназначены для

идентификации отправителя и получателя (см IP-адресация)

Время жизни пакета (Time To Live TTL) - определяет время которое

IP-пакет может находиться в сети и предназначено для

предотвращения захламления сети заблудившимися пакетами

поля предназначенные для фрагментации пакетов (см IP-

фрагментация)

поля предназначенные для управления обработкой пакета (длина

пакета и заголовка контрольная сумма заголовка тип обслуживания и

тд)

Существует 5 классов IP-адресов ndash A B C D E Принадлежность IP-

адреса к тому или иному классу определяется значением первого

октета (W) Ниже показано соответствие значений первого октета и

классов адресов

Класс IP-адреса A B C D E

Диапазон первого

октета

1-

126

128-

191

192-

223

224-

239

240-

247

IP-адреса первых трех классов предназначены для адресации

отдельных узлов и отдельных сетей Такие адреса состоят из двух

частей ndash номера сети и номера узла Такая схема аналогична схеме

почтовых индексов ndash первые три цифры кодируют регион а остальные

ndash почтовое отделение внутри региона

Преимущества двухуровневой схемы очевидны она позволяет во-

первых адресовать целиком отдельные сети внутри составной сети

что необходимо для обеспечения маршрутизации а во-вторых ndash

присваивать узлам номера внутри одной сети независимо от других

сетей Естественно что компьютеры входящие в одну и ту же сеть

должны иметь IP-адреса с одинаковым номером сети

- 41 -

IP-Маршрутизация ndash процесс выбора пути для передачи пакета в сети Под

путем (маршрутом) понимается последовательность маршрутизаторов через

которые проходит пакет по пути к узлу-назначению IP-маршрутизатор ndash это

специальное устройство предназначенное для объединения сетей и

обеспечивающее определение пути прохождения пакетов в составной сети

Маршрутизатор должен иметь несколько IP-адресов с номерами сетей

соответствующими номерам объединяемых сетей

Как известно для разных сетевых технологий значение MTU определенное

для кадров данных может отличаться Поэтому при преобразовании кадров

на маршрутизаторе может потребоваться разделение вложенных в них IP-

пакетов на более мелкие пакеты

Для разделения пакетов на фрагменты модуль IP установленный на

маршрутизаторе создает на его основе некоторое число новых пакетов (в

соответствии с длиной исходного пакета и значения MTU для сети куда

должны быть переданы данные) Для того чтобы данные могли быть

правильно собраны получателем в заголовки новых IP-пакетов помещается

специальный числовой идентификатор позволяющий однозначно

определить что эти пакеты являются фрагментами одного большого пакета

Кроме того в заголовках также указывается положения фрагментов в

исходном пакете что позволяет обеспечить правильный порядок сборки

получателем

Вспомогательные протоколы сетевого уровня стека TCPIP

Главными функциями протокола IP является обеспечение единой схемы

адресации независимой от принципов адресации определяемых сетевыми

технологиями (адресацией канального уровня) а также передача данных по

составной сети (маршрутизация и фрагментация пакетов) Однако для

организации реального взаимодействия этого оказывается недостаточно -

существует еще ряд проблем

Первая проблема состоит в следующем Для того чтобы передать данные по

сети программное обеспечение протокола IP создает пакет и передает его

средствам канального уровня При этом средствам канального уровня для

формирования кадра данных необходим адрес получателя причем не

логический IP-адрес а MAC-адрес который может быть правильно опознан

сетевым адаптером принимающего компьютера Однако спецификацией

протокола IP не предусмотрен механизм позволяющий определять

соответствие между аппаратными и IP-адресами Эту функцию выполняет

вспомогательный протокол сетевого уровня ARP (Address Resolution

Protocol) входящий в семейство протоколов TCPIP

- 42 -

Другая серьезная проблема состоит в том что если при обработке IP-пакета

на маршрутизаторе возникли какие-то проблемы например истекло время

жизни пакета то отправитель о них не узнает поскольку механизм

обратной связи также не предусмотрен спецификацией протокола IP Для

решения этой проблемы используется специальный протокол сетевого

уровня ICMP (Internet Control Message Protocol) входящий в стек протоколов

TCPIP и обеспечивающий передачу управляющей информации и

информации об ошибках

В семействе протоколов TCPIP предусмотрен также ряд других

вспомогательных протоколов например протоколы динамической

маршрутизации обеспечивающие обмен информацией между

маршрутизаторами с целью автоматизации построения таблиц

маршрутизации

Транспортный уровень

Функции транспортного уровня

Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных между

устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд)

Однако не следует забывать что на одном узле может функционировать

параллельно несколько программ которым требуется доступ к сети

Следовательно данные внутри компьютерной системы должны

распределяться между программами Поэтому при передаче данных по сети

недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо также

идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является

отсутствие средств позволяющих передавать большие массивы данных

Когда исходные данные превышают максимально допустимый размер пакета

сетевого уровня то эти данные должны быть разбиты на порции каждая из

которых передается в сеть отдельным пакетом Однако каждый пакет

сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других блок

данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и

следовательно ndash обнаружить нарушение целостности общего массива

данных Поэтому средства транспортного уровня обеспечивают отсутствие

потерь информации Такой режим передачи данных получил название

гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой

- 43 -

функциональную надстройку над сетевым уровнем и решают две основных

задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

обеспечение гарантированной доставки массивов данных

произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash

UDP обеспечивающий негарантированную доставку данных между

программами и TCP обеспечивающий гарантированную доставку с

установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной

уровень

Компоненты четырех нижних уровней модели OSI (физического канального

сетевого и транспортного) представляют собой механизм обеспечивающий

доставку данных любого типа и произвольного объема между программами

работающими на разных узлах составной сети Однако при работе в сети

пользователям требуется не просто пересылка данных а выполнение каких-

либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех

возможностей которые предоставляют средства нижних уровней

недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо

просмотреть документ расположенный не на его локальном компьютере а

на удаленной машине Решение такой задачи предполагает как минимум

прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса

содержащего имя документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного

компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной

машины изменений вносимых в этот документ другими пользователями и

уведомление об этом пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав

пользователя на работу с документом что предполагает дополнительный

- 44 -

обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних

уровней не имеют средств позволяющих реализовать специфику такого

взаимодействия Поэтому для его организации требуются дополнительные

надстройки над средствами транспортного и нижележащих уровней В

эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный уровень

уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или

сессии) при длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое

(виртуальное) соединение между двумя программами в общем случае

функционирующими на разных компьютерах В простейшем случае

установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти

необходимых для приема и передачи данных После окончания передачи

данных происходит закрытие соединения предполагающее освобождение

выделенных ресурсов Во многих случаях этого недостаточно поэтому

сессионный уровень предлагает более сложные механизмы для организации

сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая

поддержка осуществляется путем периодической отправки специальных

тестовых пакетов при получении которых участник соединения должен

ответить Возвращаясь к предложенному выше примеру следует отметить

что установление соединения при работе с удаленным документом позволяет

один раз перед началом работы проверить права доступа пользователя а

также один раз передать запрос с именем файла В случае если бы

соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог

бы уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться

дополнительное преобразование Например это необходимо в случае если

взаимодействующие программы используют различные способы кодировки

текстовой информации или если для обеспечения защиты информации

требуется осуществлять шифрование данных Обеспечение подобных

промежуточных преобразований возложено на уровень представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными

уровнями Они позволяют осуществлять работу с различными

информационными ресурсами сети например файлами или сообщениями

электронной почты Естественно что различные типы ресурсов в общем

случае требуют различных методов обработки и в том числе методов

сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI

- 45 -

является прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции

работы с конкретными информационными объектами В предложенном выше

примере (чтение удаленного документа) к функциям прикладного протокола

относятся формирование запросов на получение документа проверка прав

доступа а также определение порядка пересылки файлов и уведомлений об

изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами

определяемых протоколами прикладного уровня часть функций сессионного

уровня и уровня представления может оказаться избыточной поэтому при

программной реализации три верхних уровня обычно объединяются

Page 30: - 3 - ВВЕДЕНИЕicm.muctr.ru/study/computers/inf001.pdf · 2016-08-25 · - 7 - А) Количество информации как мера уменьшения неопределенности

- 32 -

достигнут компьютера-получателя Недостатки топологии кольцо те же то

и у топологии шина

общедоступность данных

неустойчивость к повреждениям кабельной системы

Топология laquoЗвездаraquo

Топология Звезда

В сети с топологией звезда все компьютеры соединены со специальным

устройством называемым сетевым концентратором или хабом (hub)

который выполняет функции распределения данных Прямые соединения

двух компьютеров в сети отсутствуют Благодаря этому имеется

возможность решения проблемы общедоступности данных а также

повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы Однако

функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора

Физическая и логическая топологии

Следует отметить что термин топология может употребляться для

обозначения двух понятий ndash физической топологии и логической топологии

Физическая топология ndash способ физического соединения компьютеров с

помощью среды передачи например участками кабеля Логическая

топология определяет маршруты передачи данных в сети Во многих

случаях физическая топология однозначно определяет логическую

топологию Однако существуют такие конфигурации в которых логическая

топология отличается от физической Например сеть с физической

- 33 -

топологией laquoзвездаraquo может иметь логическую топологию laquoшинаraquo ndash все

зависит от того каким образом устроен сетевой концентратор

Кодированиедекодирование данных Как известно данные обрабатываемые

компьютером представляются в двоичном виде - как последовательность

нулей и единиц Однако понятия нуль и единица являются логическими

понятиями обозначающими электрические сигналы отличающиеся друг от

друга физическими параметрами и использующиеся для представления

информации в различных устройствах например оперативной памяти или

центральном процессоре В силу различных технических причин эти сигналы

не всегда могут передаваться по физическим каналам связи Поэтому они

должны быть преобразованы Процесс преобразования сигналов удобных

для компьютера в сигналы которые могут быть переданы по сети

называется физическим кодированием а обратное преобразование -

декодированием

Передача сигналов Информационные сигналы передаются по физическим

линиям связи последовательно В случае если между передающей и

принимающей сторонами параллельно существуют более одной линии

например проложено несколько кабелей то оказывается возможным

одновременно (параллельно) передавать несколько сигналов Если эти

сигналы представляют различные биты передаваемых данных то

повышается скорость информационного обмена Если же сигналы

представляют один и тот же бит данных - то повышается надежность

взаимодействия

Канальный уровень

Канальный уровень отвечает за организацию передачи данных

между абонентами через физический уровень поэтому на данном

уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к общему физическому

каналу В функции данного уровня также входит упорядочивание

передачи с целью обеспечения возможности параллельного

использования одного физического канала несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем Большинство функций канального уровня

выполняются устройствами передачи данных (например сетевым

- 34 -

адаптером)

Метод коммутации

дной из центральных проблем организации передачи данных по физическим

каналам является проблема параллельного использования одного и того же

канала несколькими парами абонентов Методы лежащие в основе ее

решения получили название методов коммутации

В настоящее время существует два основных метода коммутации

коммутация каналов и коммутация пакетов

Коммутация каналов предполагает что перед началом передачи данных

должна быть выполнена процедура установления соединения в результате

которой образуется составной канал По окончании сеанса связи соединение

разрывается и канал освобождается Классическим примером реализации

коммутации каналов является телефонная связь которая подразумевает что

абонент перед началом разговора набирает номер второго абонента в

результате чего последовательное переключение промежуточных

коммутаторов позволяет образовать непрерывный канал связи между

абонентами Коммутация каналов удобна для организации линий связи в

которых подразумевается передача потоков данных постоянной

интенсивности например таких как телефонный разговор в силу чего этот

метод оказывается недостаточно гибким при построении компьютерных

сетей

Метод коммутации пакетов основан на разбиении передаваемых по сети

данных на небольшие порции Каждая такая порция передается по сети

как единое целое и называется пакетом Такой метод является очень

удобным для параллельного использования физического канала несколькими

парами абонентов канал является занятым только во время прохождения

пакета Временные промежутки между передачей пакетов одним абонентам

могут быть использованы другими для отправки собственных пакетов

Пакет обычно состоит из двух частей ndash заголовка содержащего служебные

данные необходимые для управления доставкой пакета и собственно

данных подлежащих передаче Порядок обмена пакетами а также

конкретный состав заголовка пакетов определяется сетевым протоколом

Для именования пакетов различных уровней модели OSI используются

специальные термины Для канального уровня используется термин кадр

для сетевого ndash пакет для транспортного ndash сегмент дейтаграмма для

сессионного и более высоких уровней ndash сообщение

- 35 -

Протоколы канального уровня

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена

способ представления информации а также необходимый набор правил

позволяющий упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток

битов Перед передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с

принципом пакетной коммутации разделяется на порции каждая из

которых снабжается заголовком содержащим некоторую служебную

информацию те формируется пакет На канальном уровне пакет называется

кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает

протокол Сложность канальных протоколов во многом определяется

сложностью топологии сети Очевидно что организовать общение всего двух

абонентов существенно проще чем упорядочивать информационный обмен в

сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких пар

абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Структура кадра данных

Состав заголовка кадра зависит от многих факторов определяемых набором

функций которые выполняет протокол Тем не менее можно выделить ряд

информационных полей которые обычно присутствуют в заголовке кадра К

таким полям относятся

1 Специальные поля предназначенные для определения границ кадров

Поскольку в физической среде могут постоянно проходить какие-либо

сигналы то сетевые адаптеры должны уметь разбираться в том когда

начинается передача кадра и когда она заканчивается

2 Поле предназначенное для определения протокола сетевого уровня

которому необходимо передать данные Так как на одном компьютере могут

функционировать программные модули различных протоколов сетевого

уровня то протоколы канального уровня должны уметь распределять данные

по этим протоколам

3 Контрольная сумма (или специальный код) содержимого кадра которая

позволяет принимающей стороне определить наличие ошибок в принятых

данных Принцип ее использования состоит в следующем Сетевой адаптер

отправляющего компьютера после формирования кадра вычисляет значение

- 36 -

его контрольной суммы на основе содержимого и помещает это значение в

заголовок кадра Принимающая сторона также вычисляет контрольную

сумму полученного кадра и сравнивает его со значением помещенным в

заголовке Если они не совпадают то это означает что во время передачи

кадра произошла ошибка

4 Поля предназначенные для адресации абонентов в сложных сетях

(определены для протоколов применяемых в сетях базирующихся на

сложных топологиях)

Обобщенная структура кадра данных

Протоколы для сетей сложных топологий

Протоколы канального уровня этой группы являются более сложными чем

протоколы использующиеся в сетях типа точка-точка так как вынуждены

выполнять ряд дополнительных функций Основными функциями являются

Выделение на всем множестве компьютеров подключенных к сети

конкретного абонента с которым осуществляется информационный обмен

то есть адресация

Адресация абонентов

Упорядочивание доступа к среде передачи в случае когда нескольким парам

абонентов требуется осуществить передачу данных

Для обеспечения адресации абонентов в заголовке кадров должны

присутствовать следующие поля

- 37 -

1 Адрес отправителя ndash некоторое число (или набор чисел) позволяющее

идентифицировать сетевой адаптер (а следовательно и компьютер в

котором она установлена) который осуществил передачу кадра данных в

сеть Адреса присваиваются сетевым адаптерам на заводе-изготовителе и

как правило не изменяются в дальнейшем хотя большинство современных

адаптеров позволяют перепрограммировать сетевой адрес

Протоколы канального уровня и сетевые технологии

Функциональный состав того или иного протокола канального уровня во

многом определяется особенностями физического уровня например

топологией сети или типом среды передачи Поэтому при проектировании

сетевого взаимодействия используются и разрабатываются комплексные

стандарты получившие название сетевых технологий

Сетевая технология ndash это набор стандартов определяющий минимальный

состав программно-аппаратных средств достаточный для организации

взаимодействия компьютеров в сети Как правило сетевая технология

определяет топологию сети а также протокол канального уровня (формат

кадра порядок обмена кадрами MTU)

В настоящее время существует большое количество сетевых технологий и

соответственно определяемых ими протоколов канального уровня

Рассмотрим для примера одну из наиболее популярных в настоящее время

технологий ndash технологию локальных сетей Ethernet Эта технология

предполагает что сеть должна строиться на основе физических топологий

шина если используется коаксиальный кабель или звезда если

используется кабель типа витая пара В зависимости от типа используемого

кабеля скорость передачи данных лежит в диапазоне 10-100 Мбитс В

качестве метода доступа к среде передачи используется метод обнаружения

коллизий (CSMACD) Что касается формата кадра то в настоящее время на

практике используются 4 варианта кадров Ethernet отличающихся друг от

друга но все они согласуются с общими положениями изложенными ранее

Максимальный объем данных передаваемых в одном кадре (MTU) в

технологии Ethernet не может превышать 1500 байт

Помимо технологии Ethernet в настоящее время в локальных сетях широко

используются технологии AppleTalk FDDI и ATM В глобальных сетях

широко распространены технологии ATM FrameRelay ISDN и SMDS

Существует также ряд технологий использующихся для организации

беспроводных сетей Наиболее популярной технологией применяемой при

- 38 -

построении локальных сетей в настоящее время является технология

RadioEthernet Она предполагает передачу данных в двух УКВ-диапазонах

около 915 МГЦ и 2400-24835 МГц а также в инфракрасном спектре

Диапазон 915 МГц в России и Европе достаточно сильно загружен

средствами связи (сотовая телефония) поэтому он используется как

правило для организации сетей внутри зданий хотя технически позволяет

осуществлять передачу на значительные расстояния Это же ограничение

распространяется и на инфракрасный диапазон поскольку инфракрасные

лучи чувствительны к погодным условиям В зависимости от того какой

режим передачи используется сети RadioEthernet позволяют осуществлять

передачу данных со скоростью 2 - 10 Мбитс Технология RadioEthernet

предполагает построение сетей на базе топологий точка-точка и звезда В

качестве метода доступа используется метод предупреждения коллизий

(CSMACA)

Наряду с кабельными и беспроводными технологиями существуют также

технологии предполагающие комбинирование различных типов физической

среды передачи Обычно они применяются для построения асимметричных

сетей небольшие по объему запросы пользовательских компьютеров

передаются по кабельным каналам например с использованием телефонных

линий и модемов а прием осуществляется через спутниковый радиоканал

Объединение сетей на канальном уровне

Сложные сети в общем случае представляют собой совокупность

нескольких сетей Такие сети называются объединенными сетями

(internetwork)

Необходимость объединения сетей может быть вызвана разными причинами

Прежде всего это - преодоление технических ограничений среды передачи

например максимального расстояния передачи данных Кроме того

построение сети как объединенной позволяет повысить надежность (выход

из строя одной физической среды не влияет на работу остальных) и

обеспечить определенный уровень конфиденциальности (данные

передаваемые между компьютерами одной физической среды оказываются

недоступными компьютерам других сетей)

Для построения объединенных сетей требуются специальные устройства

которые позволяют подключать к себе две (или более) сети Наиболее

простым устройством такого вида является мост (bridge)

Мост

- 39 -

Принцип функционирования моста достаточно прост для подключения сетей

мост располагает несколькими портами с каждым из которых связываются

записи так называемой адресной таблицы содержащей список адресов

компьютеров сетей подключенных к мосту Когда мост получает кадр

данных то он передает его в сеть через порт который согласно таблице

соответствует адресу получателя В случае если адрес получателя не

обнаружен в адресной таблице то кадр передается во все сети Адресные

таблицы мостов как правило строятся на основе анализа кадров

передаваемых по сетям

Функции сетевого уровня

Сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе

различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне

достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети

но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети

с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это

объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

адресации определенных различными технологиями Поэтому для

обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства

представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую

абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых

технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого

уровня модели OSI

Очевидно что устройства этого уровня предназначенные для объединения

сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального

уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную

передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть

определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку

составной сети Процесс определения пути прохождения данных через

подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства

объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название

маршрутизаторов

- 40 -

Протокол IP

Протокол IP (Internet Protocol) входит в состав стека протоколов TCPIP и

является основным протоколом сетевого уровня использующимся в

Интернет и обеспечивающим единую схему логической адресации устройств

в сети и маршрутизацию данных

Для выполнения своих функций протокол определяет свой собственный

формат пакета Основными информационными полями заголовка пакета

являются

IP-адреса отправителя и получателя ndash предназначены для

идентификации отправителя и получателя (см IP-адресация)

Время жизни пакета (Time To Live TTL) - определяет время которое

IP-пакет может находиться в сети и предназначено для

предотвращения захламления сети заблудившимися пакетами

поля предназначенные для фрагментации пакетов (см IP-

фрагментация)

поля предназначенные для управления обработкой пакета (длина

пакета и заголовка контрольная сумма заголовка тип обслуживания и

тд)

Существует 5 классов IP-адресов ndash A B C D E Принадлежность IP-

адреса к тому или иному классу определяется значением первого

октета (W) Ниже показано соответствие значений первого октета и

классов адресов

Класс IP-адреса A B C D E

Диапазон первого

октета

1-

126

128-

191

192-

223

224-

239

240-

247

IP-адреса первых трех классов предназначены для адресации

отдельных узлов и отдельных сетей Такие адреса состоят из двух

частей ndash номера сети и номера узла Такая схема аналогична схеме

почтовых индексов ndash первые три цифры кодируют регион а остальные

ndash почтовое отделение внутри региона

Преимущества двухуровневой схемы очевидны она позволяет во-

первых адресовать целиком отдельные сети внутри составной сети

что необходимо для обеспечения маршрутизации а во-вторых ndash

присваивать узлам номера внутри одной сети независимо от других

сетей Естественно что компьютеры входящие в одну и ту же сеть

должны иметь IP-адреса с одинаковым номером сети

- 41 -

IP-Маршрутизация ndash процесс выбора пути для передачи пакета в сети Под

путем (маршрутом) понимается последовательность маршрутизаторов через

которые проходит пакет по пути к узлу-назначению IP-маршрутизатор ndash это

специальное устройство предназначенное для объединения сетей и

обеспечивающее определение пути прохождения пакетов в составной сети

Маршрутизатор должен иметь несколько IP-адресов с номерами сетей

соответствующими номерам объединяемых сетей

Как известно для разных сетевых технологий значение MTU определенное

для кадров данных может отличаться Поэтому при преобразовании кадров

на маршрутизаторе может потребоваться разделение вложенных в них IP-

пакетов на более мелкие пакеты

Для разделения пакетов на фрагменты модуль IP установленный на

маршрутизаторе создает на его основе некоторое число новых пакетов (в

соответствии с длиной исходного пакета и значения MTU для сети куда

должны быть переданы данные) Для того чтобы данные могли быть

правильно собраны получателем в заголовки новых IP-пакетов помещается

специальный числовой идентификатор позволяющий однозначно

определить что эти пакеты являются фрагментами одного большого пакета

Кроме того в заголовках также указывается положения фрагментов в

исходном пакете что позволяет обеспечить правильный порядок сборки

получателем

Вспомогательные протоколы сетевого уровня стека TCPIP

Главными функциями протокола IP является обеспечение единой схемы

адресации независимой от принципов адресации определяемых сетевыми

технологиями (адресацией канального уровня) а также передача данных по

составной сети (маршрутизация и фрагментация пакетов) Однако для

организации реального взаимодействия этого оказывается недостаточно -

существует еще ряд проблем

Первая проблема состоит в следующем Для того чтобы передать данные по

сети программное обеспечение протокола IP создает пакет и передает его

средствам канального уровня При этом средствам канального уровня для

формирования кадра данных необходим адрес получателя причем не

логический IP-адрес а MAC-адрес который может быть правильно опознан

сетевым адаптером принимающего компьютера Однако спецификацией

протокола IP не предусмотрен механизм позволяющий определять

соответствие между аппаратными и IP-адресами Эту функцию выполняет

вспомогательный протокол сетевого уровня ARP (Address Resolution

Protocol) входящий в семейство протоколов TCPIP

- 42 -

Другая серьезная проблема состоит в том что если при обработке IP-пакета

на маршрутизаторе возникли какие-то проблемы например истекло время

жизни пакета то отправитель о них не узнает поскольку механизм

обратной связи также не предусмотрен спецификацией протокола IP Для

решения этой проблемы используется специальный протокол сетевого

уровня ICMP (Internet Control Message Protocol) входящий в стек протоколов

TCPIP и обеспечивающий передачу управляющей информации и

информации об ошибках

В семействе протоколов TCPIP предусмотрен также ряд других

вспомогательных протоколов например протоколы динамической

маршрутизации обеспечивающие обмен информацией между

маршрутизаторами с целью автоматизации построения таблиц

маршрутизации

Транспортный уровень

Функции транспортного уровня

Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных между

устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд)

Однако не следует забывать что на одном узле может функционировать

параллельно несколько программ которым требуется доступ к сети

Следовательно данные внутри компьютерной системы должны

распределяться между программами Поэтому при передаче данных по сети

недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо также

идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является

отсутствие средств позволяющих передавать большие массивы данных

Когда исходные данные превышают максимально допустимый размер пакета

сетевого уровня то эти данные должны быть разбиты на порции каждая из

которых передается в сеть отдельным пакетом Однако каждый пакет

сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других блок

данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и

следовательно ndash обнаружить нарушение целостности общего массива

данных Поэтому средства транспортного уровня обеспечивают отсутствие

потерь информации Такой режим передачи данных получил название

гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой

- 43 -

функциональную надстройку над сетевым уровнем и решают две основных

задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

обеспечение гарантированной доставки массивов данных

произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash

UDP обеспечивающий негарантированную доставку данных между

программами и TCP обеспечивающий гарантированную доставку с

установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной

уровень

Компоненты четырех нижних уровней модели OSI (физического канального

сетевого и транспортного) представляют собой механизм обеспечивающий

доставку данных любого типа и произвольного объема между программами

работающими на разных узлах составной сети Однако при работе в сети

пользователям требуется не просто пересылка данных а выполнение каких-

либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех

возможностей которые предоставляют средства нижних уровней

недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо

просмотреть документ расположенный не на его локальном компьютере а

на удаленной машине Решение такой задачи предполагает как минимум

прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса

содержащего имя документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного

компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной

машины изменений вносимых в этот документ другими пользователями и

уведомление об этом пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав

пользователя на работу с документом что предполагает дополнительный

- 44 -

обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних

уровней не имеют средств позволяющих реализовать специфику такого

взаимодействия Поэтому для его организации требуются дополнительные

надстройки над средствами транспортного и нижележащих уровней В

эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный уровень

уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или

сессии) при длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое

(виртуальное) соединение между двумя программами в общем случае

функционирующими на разных компьютерах В простейшем случае

установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти

необходимых для приема и передачи данных После окончания передачи

данных происходит закрытие соединения предполагающее освобождение

выделенных ресурсов Во многих случаях этого недостаточно поэтому

сессионный уровень предлагает более сложные механизмы для организации

сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая

поддержка осуществляется путем периодической отправки специальных

тестовых пакетов при получении которых участник соединения должен

ответить Возвращаясь к предложенному выше примеру следует отметить

что установление соединения при работе с удаленным документом позволяет

один раз перед началом работы проверить права доступа пользователя а

также один раз передать запрос с именем файла В случае если бы

соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог

бы уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться

дополнительное преобразование Например это необходимо в случае если

взаимодействующие программы используют различные способы кодировки

текстовой информации или если для обеспечения защиты информации

требуется осуществлять шифрование данных Обеспечение подобных

промежуточных преобразований возложено на уровень представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными

уровнями Они позволяют осуществлять работу с различными

информационными ресурсами сети например файлами или сообщениями

электронной почты Естественно что различные типы ресурсов в общем

случае требуют различных методов обработки и в том числе методов

сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI

- 45 -

является прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции

работы с конкретными информационными объектами В предложенном выше

примере (чтение удаленного документа) к функциям прикладного протокола

относятся формирование запросов на получение документа проверка прав

доступа а также определение порядка пересылки файлов и уведомлений об

изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами

определяемых протоколами прикладного уровня часть функций сессионного

уровня и уровня представления может оказаться избыточной поэтому при

программной реализации три верхних уровня обычно объединяются

Page 31: - 3 - ВВЕДЕНИЕicm.muctr.ru/study/computers/inf001.pdf · 2016-08-25 · - 7 - А) Количество информации как мера уменьшения неопределенности

- 33 -

топологией laquoзвездаraquo может иметь логическую топологию laquoшинаraquo ndash все

зависит от того каким образом устроен сетевой концентратор

Кодированиедекодирование данных Как известно данные обрабатываемые

компьютером представляются в двоичном виде - как последовательность

нулей и единиц Однако понятия нуль и единица являются логическими

понятиями обозначающими электрические сигналы отличающиеся друг от

друга физическими параметрами и использующиеся для представления

информации в различных устройствах например оперативной памяти или

центральном процессоре В силу различных технических причин эти сигналы

не всегда могут передаваться по физическим каналам связи Поэтому они

должны быть преобразованы Процесс преобразования сигналов удобных

для компьютера в сигналы которые могут быть переданы по сети

называется физическим кодированием а обратное преобразование -

декодированием

Передача сигналов Информационные сигналы передаются по физическим

линиям связи последовательно В случае если между передающей и

принимающей сторонами параллельно существуют более одной линии

например проложено несколько кабелей то оказывается возможным

одновременно (параллельно) передавать несколько сигналов Если эти

сигналы представляют различные биты передаваемых данных то

повышается скорость информационного обмена Если же сигналы

представляют один и тот же бит данных - то повышается надежность

взаимодействия

Канальный уровень

Канальный уровень отвечает за организацию передачи данных

между абонентами через физический уровень поэтому на данном

уровне предусмотрены средства адресации позволяющие

однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем

множестве абонентов подключенных к общему физическому

каналу В функции данного уровня также входит упорядочивание

передачи с целью обеспечения возможности параллельного

использования одного физического канала несколькими парами

абонентов Кроме того средства канального уровня обеспечивают

проверку ошибок которые могут возникать при передаче данных

физическим уровнем Большинство функций канального уровня

выполняются устройствами передачи данных (например сетевым

- 34 -

адаптером)

Метод коммутации

дной из центральных проблем организации передачи данных по физическим

каналам является проблема параллельного использования одного и того же

канала несколькими парами абонентов Методы лежащие в основе ее

решения получили название методов коммутации

В настоящее время существует два основных метода коммутации

коммутация каналов и коммутация пакетов

Коммутация каналов предполагает что перед началом передачи данных

должна быть выполнена процедура установления соединения в результате

которой образуется составной канал По окончании сеанса связи соединение

разрывается и канал освобождается Классическим примером реализации

коммутации каналов является телефонная связь которая подразумевает что

абонент перед началом разговора набирает номер второго абонента в

результате чего последовательное переключение промежуточных

коммутаторов позволяет образовать непрерывный канал связи между

абонентами Коммутация каналов удобна для организации линий связи в

которых подразумевается передача потоков данных постоянной

интенсивности например таких как телефонный разговор в силу чего этот

метод оказывается недостаточно гибким при построении компьютерных

сетей

Метод коммутации пакетов основан на разбиении передаваемых по сети

данных на небольшие порции Каждая такая порция передается по сети

как единое целое и называется пакетом Такой метод является очень

удобным для параллельного использования физического канала несколькими

парами абонентов канал является занятым только во время прохождения

пакета Временные промежутки между передачей пакетов одним абонентам

могут быть использованы другими для отправки собственных пакетов

Пакет обычно состоит из двух частей ndash заголовка содержащего служебные

данные необходимые для управления доставкой пакета и собственно

данных подлежащих передаче Порядок обмена пакетами а также

конкретный состав заголовка пакетов определяется сетевым протоколом

Для именования пакетов различных уровней модели OSI используются

специальные термины Для канального уровня используется термин кадр

для сетевого ndash пакет для транспортного ndash сегмент дейтаграмма для

сессионного и более высоких уровней ndash сообщение

- 35 -

Протоколы канального уровня

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена

способ представления информации а также необходимый набор правил

позволяющий упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток

битов Перед передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с

принципом пакетной коммутации разделяется на порции каждая из

которых снабжается заголовком содержащим некоторую служебную

информацию те формируется пакет На канальном уровне пакет называется

кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает

протокол Сложность канальных протоколов во многом определяется

сложностью топологии сети Очевидно что организовать общение всего двух

абонентов существенно проще чем упорядочивать информационный обмен в

сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких пар

абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Структура кадра данных

Состав заголовка кадра зависит от многих факторов определяемых набором

функций которые выполняет протокол Тем не менее можно выделить ряд

информационных полей которые обычно присутствуют в заголовке кадра К

таким полям относятся

1 Специальные поля предназначенные для определения границ кадров

Поскольку в физической среде могут постоянно проходить какие-либо

сигналы то сетевые адаптеры должны уметь разбираться в том когда

начинается передача кадра и когда она заканчивается

2 Поле предназначенное для определения протокола сетевого уровня

которому необходимо передать данные Так как на одном компьютере могут

функционировать программные модули различных протоколов сетевого

уровня то протоколы канального уровня должны уметь распределять данные

по этим протоколам

3 Контрольная сумма (или специальный код) содержимого кадра которая

позволяет принимающей стороне определить наличие ошибок в принятых

данных Принцип ее использования состоит в следующем Сетевой адаптер

отправляющего компьютера после формирования кадра вычисляет значение

- 36 -

его контрольной суммы на основе содержимого и помещает это значение в

заголовок кадра Принимающая сторона также вычисляет контрольную

сумму полученного кадра и сравнивает его со значением помещенным в

заголовке Если они не совпадают то это означает что во время передачи

кадра произошла ошибка

4 Поля предназначенные для адресации абонентов в сложных сетях

(определены для протоколов применяемых в сетях базирующихся на

сложных топологиях)

Обобщенная структура кадра данных

Протоколы для сетей сложных топологий

Протоколы канального уровня этой группы являются более сложными чем

протоколы использующиеся в сетях типа точка-точка так как вынуждены

выполнять ряд дополнительных функций Основными функциями являются

Выделение на всем множестве компьютеров подключенных к сети

конкретного абонента с которым осуществляется информационный обмен

то есть адресация

Адресация абонентов

Упорядочивание доступа к среде передачи в случае когда нескольким парам

абонентов требуется осуществить передачу данных

Для обеспечения адресации абонентов в заголовке кадров должны

присутствовать следующие поля

- 37 -

1 Адрес отправителя ndash некоторое число (или набор чисел) позволяющее

идентифицировать сетевой адаптер (а следовательно и компьютер в

котором она установлена) который осуществил передачу кадра данных в

сеть Адреса присваиваются сетевым адаптерам на заводе-изготовителе и

как правило не изменяются в дальнейшем хотя большинство современных

адаптеров позволяют перепрограммировать сетевой адрес

Протоколы канального уровня и сетевые технологии

Функциональный состав того или иного протокола канального уровня во

многом определяется особенностями физического уровня например

топологией сети или типом среды передачи Поэтому при проектировании

сетевого взаимодействия используются и разрабатываются комплексные

стандарты получившие название сетевых технологий

Сетевая технология ndash это набор стандартов определяющий минимальный

состав программно-аппаратных средств достаточный для организации

взаимодействия компьютеров в сети Как правило сетевая технология

определяет топологию сети а также протокол канального уровня (формат

кадра порядок обмена кадрами MTU)

В настоящее время существует большое количество сетевых технологий и

соответственно определяемых ими протоколов канального уровня

Рассмотрим для примера одну из наиболее популярных в настоящее время

технологий ndash технологию локальных сетей Ethernet Эта технология

предполагает что сеть должна строиться на основе физических топологий

шина если используется коаксиальный кабель или звезда если

используется кабель типа витая пара В зависимости от типа используемого

кабеля скорость передачи данных лежит в диапазоне 10-100 Мбитс В

качестве метода доступа к среде передачи используется метод обнаружения

коллизий (CSMACD) Что касается формата кадра то в настоящее время на

практике используются 4 варианта кадров Ethernet отличающихся друг от

друга но все они согласуются с общими положениями изложенными ранее

Максимальный объем данных передаваемых в одном кадре (MTU) в

технологии Ethernet не может превышать 1500 байт

Помимо технологии Ethernet в настоящее время в локальных сетях широко

используются технологии AppleTalk FDDI и ATM В глобальных сетях

широко распространены технологии ATM FrameRelay ISDN и SMDS

Существует также ряд технологий использующихся для организации

беспроводных сетей Наиболее популярной технологией применяемой при

- 38 -

построении локальных сетей в настоящее время является технология

RadioEthernet Она предполагает передачу данных в двух УКВ-диапазонах

около 915 МГЦ и 2400-24835 МГц а также в инфракрасном спектре

Диапазон 915 МГц в России и Европе достаточно сильно загружен

средствами связи (сотовая телефония) поэтому он используется как

правило для организации сетей внутри зданий хотя технически позволяет

осуществлять передачу на значительные расстояния Это же ограничение

распространяется и на инфракрасный диапазон поскольку инфракрасные

лучи чувствительны к погодным условиям В зависимости от того какой

режим передачи используется сети RadioEthernet позволяют осуществлять

передачу данных со скоростью 2 - 10 Мбитс Технология RadioEthernet

предполагает построение сетей на базе топологий точка-точка и звезда В

качестве метода доступа используется метод предупреждения коллизий

(CSMACA)

Наряду с кабельными и беспроводными технологиями существуют также

технологии предполагающие комбинирование различных типов физической

среды передачи Обычно они применяются для построения асимметричных

сетей небольшие по объему запросы пользовательских компьютеров

передаются по кабельным каналам например с использованием телефонных

линий и модемов а прием осуществляется через спутниковый радиоканал

Объединение сетей на канальном уровне

Сложные сети в общем случае представляют собой совокупность

нескольких сетей Такие сети называются объединенными сетями

(internetwork)

Необходимость объединения сетей может быть вызвана разными причинами

Прежде всего это - преодоление технических ограничений среды передачи

например максимального расстояния передачи данных Кроме того

построение сети как объединенной позволяет повысить надежность (выход

из строя одной физической среды не влияет на работу остальных) и

обеспечить определенный уровень конфиденциальности (данные

передаваемые между компьютерами одной физической среды оказываются

недоступными компьютерам других сетей)

Для построения объединенных сетей требуются специальные устройства

которые позволяют подключать к себе две (или более) сети Наиболее

простым устройством такого вида является мост (bridge)

Мост

- 39 -

Принцип функционирования моста достаточно прост для подключения сетей

мост располагает несколькими портами с каждым из которых связываются

записи так называемой адресной таблицы содержащей список адресов

компьютеров сетей подключенных к мосту Когда мост получает кадр

данных то он передает его в сеть через порт который согласно таблице

соответствует адресу получателя В случае если адрес получателя не

обнаружен в адресной таблице то кадр передается во все сети Адресные

таблицы мостов как правило строятся на основе анализа кадров

передаваемых по сетям

Функции сетевого уровня

Сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе

различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне

достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети

но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети

с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это

объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

адресации определенных различными технологиями Поэтому для

обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства

представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую

абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых

технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого

уровня модели OSI

Очевидно что устройства этого уровня предназначенные для объединения

сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального

уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную

передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть

определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку

составной сети Процесс определения пути прохождения данных через

подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства

объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название

маршрутизаторов

- 40 -

Протокол IP

Протокол IP (Internet Protocol) входит в состав стека протоколов TCPIP и

является основным протоколом сетевого уровня использующимся в

Интернет и обеспечивающим единую схему логической адресации устройств

в сети и маршрутизацию данных

Для выполнения своих функций протокол определяет свой собственный

формат пакета Основными информационными полями заголовка пакета

являются

IP-адреса отправителя и получателя ndash предназначены для

идентификации отправителя и получателя (см IP-адресация)

Время жизни пакета (Time To Live TTL) - определяет время которое

IP-пакет может находиться в сети и предназначено для

предотвращения захламления сети заблудившимися пакетами

поля предназначенные для фрагментации пакетов (см IP-

фрагментация)

поля предназначенные для управления обработкой пакета (длина

пакета и заголовка контрольная сумма заголовка тип обслуживания и

тд)

Существует 5 классов IP-адресов ndash A B C D E Принадлежность IP-

адреса к тому или иному классу определяется значением первого

октета (W) Ниже показано соответствие значений первого октета и

классов адресов

Класс IP-адреса A B C D E

Диапазон первого

октета

1-

126

128-

191

192-

223

224-

239

240-

247

IP-адреса первых трех классов предназначены для адресации

отдельных узлов и отдельных сетей Такие адреса состоят из двух

частей ndash номера сети и номера узла Такая схема аналогична схеме

почтовых индексов ndash первые три цифры кодируют регион а остальные

ndash почтовое отделение внутри региона

Преимущества двухуровневой схемы очевидны она позволяет во-

первых адресовать целиком отдельные сети внутри составной сети

что необходимо для обеспечения маршрутизации а во-вторых ndash

присваивать узлам номера внутри одной сети независимо от других

сетей Естественно что компьютеры входящие в одну и ту же сеть

должны иметь IP-адреса с одинаковым номером сети

- 41 -

IP-Маршрутизация ndash процесс выбора пути для передачи пакета в сети Под

путем (маршрутом) понимается последовательность маршрутизаторов через

которые проходит пакет по пути к узлу-назначению IP-маршрутизатор ndash это

специальное устройство предназначенное для объединения сетей и

обеспечивающее определение пути прохождения пакетов в составной сети

Маршрутизатор должен иметь несколько IP-адресов с номерами сетей

соответствующими номерам объединяемых сетей

Как известно для разных сетевых технологий значение MTU определенное

для кадров данных может отличаться Поэтому при преобразовании кадров

на маршрутизаторе может потребоваться разделение вложенных в них IP-

пакетов на более мелкие пакеты

Для разделения пакетов на фрагменты модуль IP установленный на

маршрутизаторе создает на его основе некоторое число новых пакетов (в

соответствии с длиной исходного пакета и значения MTU для сети куда

должны быть переданы данные) Для того чтобы данные могли быть

правильно собраны получателем в заголовки новых IP-пакетов помещается

специальный числовой идентификатор позволяющий однозначно

определить что эти пакеты являются фрагментами одного большого пакета

Кроме того в заголовках также указывается положения фрагментов в

исходном пакете что позволяет обеспечить правильный порядок сборки

получателем

Вспомогательные протоколы сетевого уровня стека TCPIP

Главными функциями протокола IP является обеспечение единой схемы

адресации независимой от принципов адресации определяемых сетевыми

технологиями (адресацией канального уровня) а также передача данных по

составной сети (маршрутизация и фрагментация пакетов) Однако для

организации реального взаимодействия этого оказывается недостаточно -

существует еще ряд проблем

Первая проблема состоит в следующем Для того чтобы передать данные по

сети программное обеспечение протокола IP создает пакет и передает его

средствам канального уровня При этом средствам канального уровня для

формирования кадра данных необходим адрес получателя причем не

логический IP-адрес а MAC-адрес который может быть правильно опознан

сетевым адаптером принимающего компьютера Однако спецификацией

протокола IP не предусмотрен механизм позволяющий определять

соответствие между аппаратными и IP-адресами Эту функцию выполняет

вспомогательный протокол сетевого уровня ARP (Address Resolution

Protocol) входящий в семейство протоколов TCPIP

- 42 -

Другая серьезная проблема состоит в том что если при обработке IP-пакета

на маршрутизаторе возникли какие-то проблемы например истекло время

жизни пакета то отправитель о них не узнает поскольку механизм

обратной связи также не предусмотрен спецификацией протокола IP Для

решения этой проблемы используется специальный протокол сетевого

уровня ICMP (Internet Control Message Protocol) входящий в стек протоколов

TCPIP и обеспечивающий передачу управляющей информации и

информации об ошибках

В семействе протоколов TCPIP предусмотрен также ряд других

вспомогательных протоколов например протоколы динамической

маршрутизации обеспечивающие обмен информацией между

маршрутизаторами с целью автоматизации построения таблиц

маршрутизации

Транспортный уровень

Функции транспортного уровня

Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных между

устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд)

Однако не следует забывать что на одном узле может функционировать

параллельно несколько программ которым требуется доступ к сети

Следовательно данные внутри компьютерной системы должны

распределяться между программами Поэтому при передаче данных по сети

недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо также

идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является

отсутствие средств позволяющих передавать большие массивы данных

Когда исходные данные превышают максимально допустимый размер пакета

сетевого уровня то эти данные должны быть разбиты на порции каждая из

которых передается в сеть отдельным пакетом Однако каждый пакет

сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других блок

данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и

следовательно ndash обнаружить нарушение целостности общего массива

данных Поэтому средства транспортного уровня обеспечивают отсутствие

потерь информации Такой режим передачи данных получил название

гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой

- 43 -

функциональную надстройку над сетевым уровнем и решают две основных

задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

обеспечение гарантированной доставки массивов данных

произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash

UDP обеспечивающий негарантированную доставку данных между

программами и TCP обеспечивающий гарантированную доставку с

установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной

уровень

Компоненты четырех нижних уровней модели OSI (физического канального

сетевого и транспортного) представляют собой механизм обеспечивающий

доставку данных любого типа и произвольного объема между программами

работающими на разных узлах составной сети Однако при работе в сети

пользователям требуется не просто пересылка данных а выполнение каких-

либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех

возможностей которые предоставляют средства нижних уровней

недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо

просмотреть документ расположенный не на его локальном компьютере а

на удаленной машине Решение такой задачи предполагает как минимум

прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса

содержащего имя документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного

компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной

машины изменений вносимых в этот документ другими пользователями и

уведомление об этом пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав

пользователя на работу с документом что предполагает дополнительный

- 44 -

обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних

уровней не имеют средств позволяющих реализовать специфику такого

взаимодействия Поэтому для его организации требуются дополнительные

надстройки над средствами транспортного и нижележащих уровней В

эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный уровень

уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или

сессии) при длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое

(виртуальное) соединение между двумя программами в общем случае

функционирующими на разных компьютерах В простейшем случае

установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти

необходимых для приема и передачи данных После окончания передачи

данных происходит закрытие соединения предполагающее освобождение

выделенных ресурсов Во многих случаях этого недостаточно поэтому

сессионный уровень предлагает более сложные механизмы для организации

сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая

поддержка осуществляется путем периодической отправки специальных

тестовых пакетов при получении которых участник соединения должен

ответить Возвращаясь к предложенному выше примеру следует отметить

что установление соединения при работе с удаленным документом позволяет

один раз перед началом работы проверить права доступа пользователя а

также один раз передать запрос с именем файла В случае если бы

соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог

бы уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться

дополнительное преобразование Например это необходимо в случае если

взаимодействующие программы используют различные способы кодировки

текстовой информации или если для обеспечения защиты информации

требуется осуществлять шифрование данных Обеспечение подобных

промежуточных преобразований возложено на уровень представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными

уровнями Они позволяют осуществлять работу с различными

информационными ресурсами сети например файлами или сообщениями

электронной почты Естественно что различные типы ресурсов в общем

случае требуют различных методов обработки и в том числе методов

сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI

- 45 -

является прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции

работы с конкретными информационными объектами В предложенном выше

примере (чтение удаленного документа) к функциям прикладного протокола

относятся формирование запросов на получение документа проверка прав

доступа а также определение порядка пересылки файлов и уведомлений об

изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами

определяемых протоколами прикладного уровня часть функций сессионного

уровня и уровня представления может оказаться избыточной поэтому при

программной реализации три верхних уровня обычно объединяются

Page 32: - 3 - ВВЕДЕНИЕicm.muctr.ru/study/computers/inf001.pdf · 2016-08-25 · - 7 - А) Количество информации как мера уменьшения неопределенности

- 34 -

адаптером)

Метод коммутации

дной из центральных проблем организации передачи данных по физическим

каналам является проблема параллельного использования одного и того же

канала несколькими парами абонентов Методы лежащие в основе ее

решения получили название методов коммутации

В настоящее время существует два основных метода коммутации

коммутация каналов и коммутация пакетов

Коммутация каналов предполагает что перед началом передачи данных

должна быть выполнена процедура установления соединения в результате

которой образуется составной канал По окончании сеанса связи соединение

разрывается и канал освобождается Классическим примером реализации

коммутации каналов является телефонная связь которая подразумевает что

абонент перед началом разговора набирает номер второго абонента в

результате чего последовательное переключение промежуточных

коммутаторов позволяет образовать непрерывный канал связи между

абонентами Коммутация каналов удобна для организации линий связи в

которых подразумевается передача потоков данных постоянной

интенсивности например таких как телефонный разговор в силу чего этот

метод оказывается недостаточно гибким при построении компьютерных

сетей

Метод коммутации пакетов основан на разбиении передаваемых по сети

данных на небольшие порции Каждая такая порция передается по сети

как единое целое и называется пакетом Такой метод является очень

удобным для параллельного использования физического канала несколькими

парами абонентов канал является занятым только во время прохождения

пакета Временные промежутки между передачей пакетов одним абонентам

могут быть использованы другими для отправки собственных пакетов

Пакет обычно состоит из двух частей ndash заголовка содержащего служебные

данные необходимые для управления доставкой пакета и собственно

данных подлежащих передаче Порядок обмена пакетами а также

конкретный состав заголовка пакетов определяется сетевым протоколом

Для именования пакетов различных уровней модели OSI используются

специальные термины Для канального уровня используется термин кадр

для сетевого ndash пакет для транспортного ndash сегмент дейтаграмма для

сессионного и более высоких уровней ndash сообщение

- 35 -

Протоколы канального уровня

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена

способ представления информации а также необходимый набор правил

позволяющий упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток

битов Перед передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с

принципом пакетной коммутации разделяется на порции каждая из

которых снабжается заголовком содержащим некоторую служебную

информацию те формируется пакет На канальном уровне пакет называется

кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает

протокол Сложность канальных протоколов во многом определяется

сложностью топологии сети Очевидно что организовать общение всего двух

абонентов существенно проще чем упорядочивать информационный обмен в

сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких пар

абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Структура кадра данных

Состав заголовка кадра зависит от многих факторов определяемых набором

функций которые выполняет протокол Тем не менее можно выделить ряд

информационных полей которые обычно присутствуют в заголовке кадра К

таким полям относятся

1 Специальные поля предназначенные для определения границ кадров

Поскольку в физической среде могут постоянно проходить какие-либо

сигналы то сетевые адаптеры должны уметь разбираться в том когда

начинается передача кадра и когда она заканчивается

2 Поле предназначенное для определения протокола сетевого уровня

которому необходимо передать данные Так как на одном компьютере могут

функционировать программные модули различных протоколов сетевого

уровня то протоколы канального уровня должны уметь распределять данные

по этим протоколам

3 Контрольная сумма (или специальный код) содержимого кадра которая

позволяет принимающей стороне определить наличие ошибок в принятых

данных Принцип ее использования состоит в следующем Сетевой адаптер

отправляющего компьютера после формирования кадра вычисляет значение

- 36 -

его контрольной суммы на основе содержимого и помещает это значение в

заголовок кадра Принимающая сторона также вычисляет контрольную

сумму полученного кадра и сравнивает его со значением помещенным в

заголовке Если они не совпадают то это означает что во время передачи

кадра произошла ошибка

4 Поля предназначенные для адресации абонентов в сложных сетях

(определены для протоколов применяемых в сетях базирующихся на

сложных топологиях)

Обобщенная структура кадра данных

Протоколы для сетей сложных топологий

Протоколы канального уровня этой группы являются более сложными чем

протоколы использующиеся в сетях типа точка-точка так как вынуждены

выполнять ряд дополнительных функций Основными функциями являются

Выделение на всем множестве компьютеров подключенных к сети

конкретного абонента с которым осуществляется информационный обмен

то есть адресация

Адресация абонентов

Упорядочивание доступа к среде передачи в случае когда нескольким парам

абонентов требуется осуществить передачу данных

Для обеспечения адресации абонентов в заголовке кадров должны

присутствовать следующие поля

- 37 -

1 Адрес отправителя ndash некоторое число (или набор чисел) позволяющее

идентифицировать сетевой адаптер (а следовательно и компьютер в

котором она установлена) который осуществил передачу кадра данных в

сеть Адреса присваиваются сетевым адаптерам на заводе-изготовителе и

как правило не изменяются в дальнейшем хотя большинство современных

адаптеров позволяют перепрограммировать сетевой адрес

Протоколы канального уровня и сетевые технологии

Функциональный состав того или иного протокола канального уровня во

многом определяется особенностями физического уровня например

топологией сети или типом среды передачи Поэтому при проектировании

сетевого взаимодействия используются и разрабатываются комплексные

стандарты получившие название сетевых технологий

Сетевая технология ndash это набор стандартов определяющий минимальный

состав программно-аппаратных средств достаточный для организации

взаимодействия компьютеров в сети Как правило сетевая технология

определяет топологию сети а также протокол канального уровня (формат

кадра порядок обмена кадрами MTU)

В настоящее время существует большое количество сетевых технологий и

соответственно определяемых ими протоколов канального уровня

Рассмотрим для примера одну из наиболее популярных в настоящее время

технологий ndash технологию локальных сетей Ethernet Эта технология

предполагает что сеть должна строиться на основе физических топологий

шина если используется коаксиальный кабель или звезда если

используется кабель типа витая пара В зависимости от типа используемого

кабеля скорость передачи данных лежит в диапазоне 10-100 Мбитс В

качестве метода доступа к среде передачи используется метод обнаружения

коллизий (CSMACD) Что касается формата кадра то в настоящее время на

практике используются 4 варианта кадров Ethernet отличающихся друг от

друга но все они согласуются с общими положениями изложенными ранее

Максимальный объем данных передаваемых в одном кадре (MTU) в

технологии Ethernet не может превышать 1500 байт

Помимо технологии Ethernet в настоящее время в локальных сетях широко

используются технологии AppleTalk FDDI и ATM В глобальных сетях

широко распространены технологии ATM FrameRelay ISDN и SMDS

Существует также ряд технологий использующихся для организации

беспроводных сетей Наиболее популярной технологией применяемой при

- 38 -

построении локальных сетей в настоящее время является технология

RadioEthernet Она предполагает передачу данных в двух УКВ-диапазонах

около 915 МГЦ и 2400-24835 МГц а также в инфракрасном спектре

Диапазон 915 МГц в России и Европе достаточно сильно загружен

средствами связи (сотовая телефония) поэтому он используется как

правило для организации сетей внутри зданий хотя технически позволяет

осуществлять передачу на значительные расстояния Это же ограничение

распространяется и на инфракрасный диапазон поскольку инфракрасные

лучи чувствительны к погодным условиям В зависимости от того какой

режим передачи используется сети RadioEthernet позволяют осуществлять

передачу данных со скоростью 2 - 10 Мбитс Технология RadioEthernet

предполагает построение сетей на базе топологий точка-точка и звезда В

качестве метода доступа используется метод предупреждения коллизий

(CSMACA)

Наряду с кабельными и беспроводными технологиями существуют также

технологии предполагающие комбинирование различных типов физической

среды передачи Обычно они применяются для построения асимметричных

сетей небольшие по объему запросы пользовательских компьютеров

передаются по кабельным каналам например с использованием телефонных

линий и модемов а прием осуществляется через спутниковый радиоканал

Объединение сетей на канальном уровне

Сложные сети в общем случае представляют собой совокупность

нескольких сетей Такие сети называются объединенными сетями

(internetwork)

Необходимость объединения сетей может быть вызвана разными причинами

Прежде всего это - преодоление технических ограничений среды передачи

например максимального расстояния передачи данных Кроме того

построение сети как объединенной позволяет повысить надежность (выход

из строя одной физической среды не влияет на работу остальных) и

обеспечить определенный уровень конфиденциальности (данные

передаваемые между компьютерами одной физической среды оказываются

недоступными компьютерам других сетей)

Для построения объединенных сетей требуются специальные устройства

которые позволяют подключать к себе две (или более) сети Наиболее

простым устройством такого вида является мост (bridge)

Мост

- 39 -

Принцип функционирования моста достаточно прост для подключения сетей

мост располагает несколькими портами с каждым из которых связываются

записи так называемой адресной таблицы содержащей список адресов

компьютеров сетей подключенных к мосту Когда мост получает кадр

данных то он передает его в сеть через порт который согласно таблице

соответствует адресу получателя В случае если адрес получателя не

обнаружен в адресной таблице то кадр передается во все сети Адресные

таблицы мостов как правило строятся на основе анализа кадров

передаваемых по сетям

Функции сетевого уровня

Сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе

различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне

достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети

но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети

с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это

объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

адресации определенных различными технологиями Поэтому для

обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства

представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую

абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых

технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого

уровня модели OSI

Очевидно что устройства этого уровня предназначенные для объединения

сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального

уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную

передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть

определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку

составной сети Процесс определения пути прохождения данных через

подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства

объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название

маршрутизаторов

- 40 -

Протокол IP

Протокол IP (Internet Protocol) входит в состав стека протоколов TCPIP и

является основным протоколом сетевого уровня использующимся в

Интернет и обеспечивающим единую схему логической адресации устройств

в сети и маршрутизацию данных

Для выполнения своих функций протокол определяет свой собственный

формат пакета Основными информационными полями заголовка пакета

являются

IP-адреса отправителя и получателя ndash предназначены для

идентификации отправителя и получателя (см IP-адресация)

Время жизни пакета (Time To Live TTL) - определяет время которое

IP-пакет может находиться в сети и предназначено для

предотвращения захламления сети заблудившимися пакетами

поля предназначенные для фрагментации пакетов (см IP-

фрагментация)

поля предназначенные для управления обработкой пакета (длина

пакета и заголовка контрольная сумма заголовка тип обслуживания и

тд)

Существует 5 классов IP-адресов ndash A B C D E Принадлежность IP-

адреса к тому или иному классу определяется значением первого

октета (W) Ниже показано соответствие значений первого октета и

классов адресов

Класс IP-адреса A B C D E

Диапазон первого

октета

1-

126

128-

191

192-

223

224-

239

240-

247

IP-адреса первых трех классов предназначены для адресации

отдельных узлов и отдельных сетей Такие адреса состоят из двух

частей ndash номера сети и номера узла Такая схема аналогична схеме

почтовых индексов ndash первые три цифры кодируют регион а остальные

ndash почтовое отделение внутри региона

Преимущества двухуровневой схемы очевидны она позволяет во-

первых адресовать целиком отдельные сети внутри составной сети

что необходимо для обеспечения маршрутизации а во-вторых ndash

присваивать узлам номера внутри одной сети независимо от других

сетей Естественно что компьютеры входящие в одну и ту же сеть

должны иметь IP-адреса с одинаковым номером сети

- 41 -

IP-Маршрутизация ndash процесс выбора пути для передачи пакета в сети Под

путем (маршрутом) понимается последовательность маршрутизаторов через

которые проходит пакет по пути к узлу-назначению IP-маршрутизатор ndash это

специальное устройство предназначенное для объединения сетей и

обеспечивающее определение пути прохождения пакетов в составной сети

Маршрутизатор должен иметь несколько IP-адресов с номерами сетей

соответствующими номерам объединяемых сетей

Как известно для разных сетевых технологий значение MTU определенное

для кадров данных может отличаться Поэтому при преобразовании кадров

на маршрутизаторе может потребоваться разделение вложенных в них IP-

пакетов на более мелкие пакеты

Для разделения пакетов на фрагменты модуль IP установленный на

маршрутизаторе создает на его основе некоторое число новых пакетов (в

соответствии с длиной исходного пакета и значения MTU для сети куда

должны быть переданы данные) Для того чтобы данные могли быть

правильно собраны получателем в заголовки новых IP-пакетов помещается

специальный числовой идентификатор позволяющий однозначно

определить что эти пакеты являются фрагментами одного большого пакета

Кроме того в заголовках также указывается положения фрагментов в

исходном пакете что позволяет обеспечить правильный порядок сборки

получателем

Вспомогательные протоколы сетевого уровня стека TCPIP

Главными функциями протокола IP является обеспечение единой схемы

адресации независимой от принципов адресации определяемых сетевыми

технологиями (адресацией канального уровня) а также передача данных по

составной сети (маршрутизация и фрагментация пакетов) Однако для

организации реального взаимодействия этого оказывается недостаточно -

существует еще ряд проблем

Первая проблема состоит в следующем Для того чтобы передать данные по

сети программное обеспечение протокола IP создает пакет и передает его

средствам канального уровня При этом средствам канального уровня для

формирования кадра данных необходим адрес получателя причем не

логический IP-адрес а MAC-адрес который может быть правильно опознан

сетевым адаптером принимающего компьютера Однако спецификацией

протокола IP не предусмотрен механизм позволяющий определять

соответствие между аппаратными и IP-адресами Эту функцию выполняет

вспомогательный протокол сетевого уровня ARP (Address Resolution

Protocol) входящий в семейство протоколов TCPIP

- 42 -

Другая серьезная проблема состоит в том что если при обработке IP-пакета

на маршрутизаторе возникли какие-то проблемы например истекло время

жизни пакета то отправитель о них не узнает поскольку механизм

обратной связи также не предусмотрен спецификацией протокола IP Для

решения этой проблемы используется специальный протокол сетевого

уровня ICMP (Internet Control Message Protocol) входящий в стек протоколов

TCPIP и обеспечивающий передачу управляющей информации и

информации об ошибках

В семействе протоколов TCPIP предусмотрен также ряд других

вспомогательных протоколов например протоколы динамической

маршрутизации обеспечивающие обмен информацией между

маршрутизаторами с целью автоматизации построения таблиц

маршрутизации

Транспортный уровень

Функции транспортного уровня

Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных между

устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд)

Однако не следует забывать что на одном узле может функционировать

параллельно несколько программ которым требуется доступ к сети

Следовательно данные внутри компьютерной системы должны

распределяться между программами Поэтому при передаче данных по сети

недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо также

идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является

отсутствие средств позволяющих передавать большие массивы данных

Когда исходные данные превышают максимально допустимый размер пакета

сетевого уровня то эти данные должны быть разбиты на порции каждая из

которых передается в сеть отдельным пакетом Однако каждый пакет

сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других блок

данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и

следовательно ndash обнаружить нарушение целостности общего массива

данных Поэтому средства транспортного уровня обеспечивают отсутствие

потерь информации Такой режим передачи данных получил название

гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой

- 43 -

функциональную надстройку над сетевым уровнем и решают две основных

задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

обеспечение гарантированной доставки массивов данных

произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash

UDP обеспечивающий негарантированную доставку данных между

программами и TCP обеспечивающий гарантированную доставку с

установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной

уровень

Компоненты четырех нижних уровней модели OSI (физического канального

сетевого и транспортного) представляют собой механизм обеспечивающий

доставку данных любого типа и произвольного объема между программами

работающими на разных узлах составной сети Однако при работе в сети

пользователям требуется не просто пересылка данных а выполнение каких-

либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех

возможностей которые предоставляют средства нижних уровней

недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо

просмотреть документ расположенный не на его локальном компьютере а

на удаленной машине Решение такой задачи предполагает как минимум

прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса

содержащего имя документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного

компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной

машины изменений вносимых в этот документ другими пользователями и

уведомление об этом пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав

пользователя на работу с документом что предполагает дополнительный

- 44 -

обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних

уровней не имеют средств позволяющих реализовать специфику такого

взаимодействия Поэтому для его организации требуются дополнительные

надстройки над средствами транспортного и нижележащих уровней В

эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный уровень

уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или

сессии) при длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое

(виртуальное) соединение между двумя программами в общем случае

функционирующими на разных компьютерах В простейшем случае

установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти

необходимых для приема и передачи данных После окончания передачи

данных происходит закрытие соединения предполагающее освобождение

выделенных ресурсов Во многих случаях этого недостаточно поэтому

сессионный уровень предлагает более сложные механизмы для организации

сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая

поддержка осуществляется путем периодической отправки специальных

тестовых пакетов при получении которых участник соединения должен

ответить Возвращаясь к предложенному выше примеру следует отметить

что установление соединения при работе с удаленным документом позволяет

один раз перед началом работы проверить права доступа пользователя а

также один раз передать запрос с именем файла В случае если бы

соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог

бы уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться

дополнительное преобразование Например это необходимо в случае если

взаимодействующие программы используют различные способы кодировки

текстовой информации или если для обеспечения защиты информации

требуется осуществлять шифрование данных Обеспечение подобных

промежуточных преобразований возложено на уровень представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными

уровнями Они позволяют осуществлять работу с различными

информационными ресурсами сети например файлами или сообщениями

электронной почты Естественно что различные типы ресурсов в общем

случае требуют различных методов обработки и в том числе методов

сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI

- 45 -

является прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции

работы с конкретными информационными объектами В предложенном выше

примере (чтение удаленного документа) к функциям прикладного протокола

относятся формирование запросов на получение документа проверка прав

доступа а также определение порядка пересылки файлов и уведомлений об

изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами

определяемых протоколами прикладного уровня часть функций сессионного

уровня и уровня представления может оказаться избыточной поэтому при

программной реализации три верхних уровня обычно объединяются

Page 33: - 3 - ВВЕДЕНИЕicm.muctr.ru/study/computers/inf001.pdf · 2016-08-25 · - 7 - А) Количество информации как мера уменьшения неопределенности

- 35 -

Протоколы канального уровня

Протоколы канального уровня определяют удобный для сетевого обмена

способ представления информации а также необходимый набор правил

позволяющий упорядочивать взаимодействие абонентов

На канальном уровне данные рассматриваются как последовательный поток

битов Перед передачей по физическим каналам этот поток в соответствии с

принципом пакетной коммутации разделяется на порции каждая из

которых снабжается заголовком содержащим некоторую служебную

информацию те формируется пакет На канальном уровне пакет называется

кадром (frame)

Структура заголовка кадра зависит от набора задач которые решает

протокол Сложность канальных протоколов во многом определяется

сложностью топологии сети Очевидно что организовать общение всего двух

абонентов существенно проще чем упорядочивать информационный обмен в

сетях где возможно параллельное взаимодействие нескольких пар

абонентов Поэтому канальные протоколы удобно разделять на две группы

протоколы для соединений типа точка-точка

протоколы для сетей сложных топологий

Структура кадра данных

Состав заголовка кадра зависит от многих факторов определяемых набором

функций которые выполняет протокол Тем не менее можно выделить ряд

информационных полей которые обычно присутствуют в заголовке кадра К

таким полям относятся

1 Специальные поля предназначенные для определения границ кадров

Поскольку в физической среде могут постоянно проходить какие-либо

сигналы то сетевые адаптеры должны уметь разбираться в том когда

начинается передача кадра и когда она заканчивается

2 Поле предназначенное для определения протокола сетевого уровня

которому необходимо передать данные Так как на одном компьютере могут

функционировать программные модули различных протоколов сетевого

уровня то протоколы канального уровня должны уметь распределять данные

по этим протоколам

3 Контрольная сумма (или специальный код) содержимого кадра которая

позволяет принимающей стороне определить наличие ошибок в принятых

данных Принцип ее использования состоит в следующем Сетевой адаптер

отправляющего компьютера после формирования кадра вычисляет значение

- 36 -

его контрольной суммы на основе содержимого и помещает это значение в

заголовок кадра Принимающая сторона также вычисляет контрольную

сумму полученного кадра и сравнивает его со значением помещенным в

заголовке Если они не совпадают то это означает что во время передачи

кадра произошла ошибка

4 Поля предназначенные для адресации абонентов в сложных сетях

(определены для протоколов применяемых в сетях базирующихся на

сложных топологиях)

Обобщенная структура кадра данных

Протоколы для сетей сложных топологий

Протоколы канального уровня этой группы являются более сложными чем

протоколы использующиеся в сетях типа точка-точка так как вынуждены

выполнять ряд дополнительных функций Основными функциями являются

Выделение на всем множестве компьютеров подключенных к сети

конкретного абонента с которым осуществляется информационный обмен

то есть адресация

Адресация абонентов

Упорядочивание доступа к среде передачи в случае когда нескольким парам

абонентов требуется осуществить передачу данных

Для обеспечения адресации абонентов в заголовке кадров должны

присутствовать следующие поля

- 37 -

1 Адрес отправителя ndash некоторое число (или набор чисел) позволяющее

идентифицировать сетевой адаптер (а следовательно и компьютер в

котором она установлена) который осуществил передачу кадра данных в

сеть Адреса присваиваются сетевым адаптерам на заводе-изготовителе и

как правило не изменяются в дальнейшем хотя большинство современных

адаптеров позволяют перепрограммировать сетевой адрес

Протоколы канального уровня и сетевые технологии

Функциональный состав того или иного протокола канального уровня во

многом определяется особенностями физического уровня например

топологией сети или типом среды передачи Поэтому при проектировании

сетевого взаимодействия используются и разрабатываются комплексные

стандарты получившие название сетевых технологий

Сетевая технология ndash это набор стандартов определяющий минимальный

состав программно-аппаратных средств достаточный для организации

взаимодействия компьютеров в сети Как правило сетевая технология

определяет топологию сети а также протокол канального уровня (формат

кадра порядок обмена кадрами MTU)

В настоящее время существует большое количество сетевых технологий и

соответственно определяемых ими протоколов канального уровня

Рассмотрим для примера одну из наиболее популярных в настоящее время

технологий ndash технологию локальных сетей Ethernet Эта технология

предполагает что сеть должна строиться на основе физических топологий

шина если используется коаксиальный кабель или звезда если

используется кабель типа витая пара В зависимости от типа используемого

кабеля скорость передачи данных лежит в диапазоне 10-100 Мбитс В

качестве метода доступа к среде передачи используется метод обнаружения

коллизий (CSMACD) Что касается формата кадра то в настоящее время на

практике используются 4 варианта кадров Ethernet отличающихся друг от

друга но все они согласуются с общими положениями изложенными ранее

Максимальный объем данных передаваемых в одном кадре (MTU) в

технологии Ethernet не может превышать 1500 байт

Помимо технологии Ethernet в настоящее время в локальных сетях широко

используются технологии AppleTalk FDDI и ATM В глобальных сетях

широко распространены технологии ATM FrameRelay ISDN и SMDS

Существует также ряд технологий использующихся для организации

беспроводных сетей Наиболее популярной технологией применяемой при

- 38 -

построении локальных сетей в настоящее время является технология

RadioEthernet Она предполагает передачу данных в двух УКВ-диапазонах

около 915 МГЦ и 2400-24835 МГц а также в инфракрасном спектре

Диапазон 915 МГц в России и Европе достаточно сильно загружен

средствами связи (сотовая телефония) поэтому он используется как

правило для организации сетей внутри зданий хотя технически позволяет

осуществлять передачу на значительные расстояния Это же ограничение

распространяется и на инфракрасный диапазон поскольку инфракрасные

лучи чувствительны к погодным условиям В зависимости от того какой

режим передачи используется сети RadioEthernet позволяют осуществлять

передачу данных со скоростью 2 - 10 Мбитс Технология RadioEthernet

предполагает построение сетей на базе топологий точка-точка и звезда В

качестве метода доступа используется метод предупреждения коллизий

(CSMACA)

Наряду с кабельными и беспроводными технологиями существуют также

технологии предполагающие комбинирование различных типов физической

среды передачи Обычно они применяются для построения асимметричных

сетей небольшие по объему запросы пользовательских компьютеров

передаются по кабельным каналам например с использованием телефонных

линий и модемов а прием осуществляется через спутниковый радиоканал

Объединение сетей на канальном уровне

Сложные сети в общем случае представляют собой совокупность

нескольких сетей Такие сети называются объединенными сетями

(internetwork)

Необходимость объединения сетей может быть вызвана разными причинами

Прежде всего это - преодоление технических ограничений среды передачи

например максимального расстояния передачи данных Кроме того

построение сети как объединенной позволяет повысить надежность (выход

из строя одной физической среды не влияет на работу остальных) и

обеспечить определенный уровень конфиденциальности (данные

передаваемые между компьютерами одной физической среды оказываются

недоступными компьютерам других сетей)

Для построения объединенных сетей требуются специальные устройства

которые позволяют подключать к себе две (или более) сети Наиболее

простым устройством такого вида является мост (bridge)

Мост

- 39 -

Принцип функционирования моста достаточно прост для подключения сетей

мост располагает несколькими портами с каждым из которых связываются

записи так называемой адресной таблицы содержащей список адресов

компьютеров сетей подключенных к мосту Когда мост получает кадр

данных то он передает его в сеть через порт который согласно таблице

соответствует адресу получателя В случае если адрес получателя не

обнаружен в адресной таблице то кадр передается во все сети Адресные

таблицы мостов как правило строятся на основе анализа кадров

передаваемых по сетям

Функции сетевого уровня

Сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе

различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне

достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети

но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети

с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это

объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

адресации определенных различными технологиями Поэтому для

обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства

представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую

абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых

технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого

уровня модели OSI

Очевидно что устройства этого уровня предназначенные для объединения

сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального

уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную

передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть

определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку

составной сети Процесс определения пути прохождения данных через

подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства

объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название

маршрутизаторов

- 40 -

Протокол IP

Протокол IP (Internet Protocol) входит в состав стека протоколов TCPIP и

является основным протоколом сетевого уровня использующимся в

Интернет и обеспечивающим единую схему логической адресации устройств

в сети и маршрутизацию данных

Для выполнения своих функций протокол определяет свой собственный

формат пакета Основными информационными полями заголовка пакета

являются

IP-адреса отправителя и получателя ndash предназначены для

идентификации отправителя и получателя (см IP-адресация)

Время жизни пакета (Time To Live TTL) - определяет время которое

IP-пакет может находиться в сети и предназначено для

предотвращения захламления сети заблудившимися пакетами

поля предназначенные для фрагментации пакетов (см IP-

фрагментация)

поля предназначенные для управления обработкой пакета (длина

пакета и заголовка контрольная сумма заголовка тип обслуживания и

тд)

Существует 5 классов IP-адресов ndash A B C D E Принадлежность IP-

адреса к тому или иному классу определяется значением первого

октета (W) Ниже показано соответствие значений первого октета и

классов адресов

Класс IP-адреса A B C D E

Диапазон первого

октета

1-

126

128-

191

192-

223

224-

239

240-

247

IP-адреса первых трех классов предназначены для адресации

отдельных узлов и отдельных сетей Такие адреса состоят из двух

частей ndash номера сети и номера узла Такая схема аналогична схеме

почтовых индексов ndash первые три цифры кодируют регион а остальные

ndash почтовое отделение внутри региона

Преимущества двухуровневой схемы очевидны она позволяет во-

первых адресовать целиком отдельные сети внутри составной сети

что необходимо для обеспечения маршрутизации а во-вторых ndash

присваивать узлам номера внутри одной сети независимо от других

сетей Естественно что компьютеры входящие в одну и ту же сеть

должны иметь IP-адреса с одинаковым номером сети

- 41 -

IP-Маршрутизация ndash процесс выбора пути для передачи пакета в сети Под

путем (маршрутом) понимается последовательность маршрутизаторов через

которые проходит пакет по пути к узлу-назначению IP-маршрутизатор ndash это

специальное устройство предназначенное для объединения сетей и

обеспечивающее определение пути прохождения пакетов в составной сети

Маршрутизатор должен иметь несколько IP-адресов с номерами сетей

соответствующими номерам объединяемых сетей

Как известно для разных сетевых технологий значение MTU определенное

для кадров данных может отличаться Поэтому при преобразовании кадров

на маршрутизаторе может потребоваться разделение вложенных в них IP-

пакетов на более мелкие пакеты

Для разделения пакетов на фрагменты модуль IP установленный на

маршрутизаторе создает на его основе некоторое число новых пакетов (в

соответствии с длиной исходного пакета и значения MTU для сети куда

должны быть переданы данные) Для того чтобы данные могли быть

правильно собраны получателем в заголовки новых IP-пакетов помещается

специальный числовой идентификатор позволяющий однозначно

определить что эти пакеты являются фрагментами одного большого пакета

Кроме того в заголовках также указывается положения фрагментов в

исходном пакете что позволяет обеспечить правильный порядок сборки

получателем

Вспомогательные протоколы сетевого уровня стека TCPIP

Главными функциями протокола IP является обеспечение единой схемы

адресации независимой от принципов адресации определяемых сетевыми

технологиями (адресацией канального уровня) а также передача данных по

составной сети (маршрутизация и фрагментация пакетов) Однако для

организации реального взаимодействия этого оказывается недостаточно -

существует еще ряд проблем

Первая проблема состоит в следующем Для того чтобы передать данные по

сети программное обеспечение протокола IP создает пакет и передает его

средствам канального уровня При этом средствам канального уровня для

формирования кадра данных необходим адрес получателя причем не

логический IP-адрес а MAC-адрес который может быть правильно опознан

сетевым адаптером принимающего компьютера Однако спецификацией

протокола IP не предусмотрен механизм позволяющий определять

соответствие между аппаратными и IP-адресами Эту функцию выполняет

вспомогательный протокол сетевого уровня ARP (Address Resolution

Protocol) входящий в семейство протоколов TCPIP

- 42 -

Другая серьезная проблема состоит в том что если при обработке IP-пакета

на маршрутизаторе возникли какие-то проблемы например истекло время

жизни пакета то отправитель о них не узнает поскольку механизм

обратной связи также не предусмотрен спецификацией протокола IP Для

решения этой проблемы используется специальный протокол сетевого

уровня ICMP (Internet Control Message Protocol) входящий в стек протоколов

TCPIP и обеспечивающий передачу управляющей информации и

информации об ошибках

В семействе протоколов TCPIP предусмотрен также ряд других

вспомогательных протоколов например протоколы динамической

маршрутизации обеспечивающие обмен информацией между

маршрутизаторами с целью автоматизации построения таблиц

маршрутизации

Транспортный уровень

Функции транспортного уровня

Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных между

устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд)

Однако не следует забывать что на одном узле может функционировать

параллельно несколько программ которым требуется доступ к сети

Следовательно данные внутри компьютерной системы должны

распределяться между программами Поэтому при передаче данных по сети

недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо также

идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является

отсутствие средств позволяющих передавать большие массивы данных

Когда исходные данные превышают максимально допустимый размер пакета

сетевого уровня то эти данные должны быть разбиты на порции каждая из

которых передается в сеть отдельным пакетом Однако каждый пакет

сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других блок

данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и

следовательно ndash обнаружить нарушение целостности общего массива

данных Поэтому средства транспортного уровня обеспечивают отсутствие

потерь информации Такой режим передачи данных получил название

гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой

- 43 -

функциональную надстройку над сетевым уровнем и решают две основных

задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

обеспечение гарантированной доставки массивов данных

произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash

UDP обеспечивающий негарантированную доставку данных между

программами и TCP обеспечивающий гарантированную доставку с

установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной

уровень

Компоненты четырех нижних уровней модели OSI (физического канального

сетевого и транспортного) представляют собой механизм обеспечивающий

доставку данных любого типа и произвольного объема между программами

работающими на разных узлах составной сети Однако при работе в сети

пользователям требуется не просто пересылка данных а выполнение каких-

либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех

возможностей которые предоставляют средства нижних уровней

недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо

просмотреть документ расположенный не на его локальном компьютере а

на удаленной машине Решение такой задачи предполагает как минимум

прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса

содержащего имя документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного

компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной

машины изменений вносимых в этот документ другими пользователями и

уведомление об этом пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав

пользователя на работу с документом что предполагает дополнительный

- 44 -

обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних

уровней не имеют средств позволяющих реализовать специфику такого

взаимодействия Поэтому для его организации требуются дополнительные

надстройки над средствами транспортного и нижележащих уровней В

эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный уровень

уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или

сессии) при длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое

(виртуальное) соединение между двумя программами в общем случае

функционирующими на разных компьютерах В простейшем случае

установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти

необходимых для приема и передачи данных После окончания передачи

данных происходит закрытие соединения предполагающее освобождение

выделенных ресурсов Во многих случаях этого недостаточно поэтому

сессионный уровень предлагает более сложные механизмы для организации

сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая

поддержка осуществляется путем периодической отправки специальных

тестовых пакетов при получении которых участник соединения должен

ответить Возвращаясь к предложенному выше примеру следует отметить

что установление соединения при работе с удаленным документом позволяет

один раз перед началом работы проверить права доступа пользователя а

также один раз передать запрос с именем файла В случае если бы

соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог

бы уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться

дополнительное преобразование Например это необходимо в случае если

взаимодействующие программы используют различные способы кодировки

текстовой информации или если для обеспечения защиты информации

требуется осуществлять шифрование данных Обеспечение подобных

промежуточных преобразований возложено на уровень представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными

уровнями Они позволяют осуществлять работу с различными

информационными ресурсами сети например файлами или сообщениями

электронной почты Естественно что различные типы ресурсов в общем

случае требуют различных методов обработки и в том числе методов

сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI

- 45 -

является прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции

работы с конкретными информационными объектами В предложенном выше

примере (чтение удаленного документа) к функциям прикладного протокола

относятся формирование запросов на получение документа проверка прав

доступа а также определение порядка пересылки файлов и уведомлений об

изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами

определяемых протоколами прикладного уровня часть функций сессионного

уровня и уровня представления может оказаться избыточной поэтому при

программной реализации три верхних уровня обычно объединяются

Page 34: - 3 - ВВЕДЕНИЕicm.muctr.ru/study/computers/inf001.pdf · 2016-08-25 · - 7 - А) Количество информации как мера уменьшения неопределенности

- 36 -

его контрольной суммы на основе содержимого и помещает это значение в

заголовок кадра Принимающая сторона также вычисляет контрольную

сумму полученного кадра и сравнивает его со значением помещенным в

заголовке Если они не совпадают то это означает что во время передачи

кадра произошла ошибка

4 Поля предназначенные для адресации абонентов в сложных сетях

(определены для протоколов применяемых в сетях базирующихся на

сложных топологиях)

Обобщенная структура кадра данных

Протоколы для сетей сложных топологий

Протоколы канального уровня этой группы являются более сложными чем

протоколы использующиеся в сетях типа точка-точка так как вынуждены

выполнять ряд дополнительных функций Основными функциями являются

Выделение на всем множестве компьютеров подключенных к сети

конкретного абонента с которым осуществляется информационный обмен

то есть адресация

Адресация абонентов

Упорядочивание доступа к среде передачи в случае когда нескольким парам

абонентов требуется осуществить передачу данных

Для обеспечения адресации абонентов в заголовке кадров должны

присутствовать следующие поля

- 37 -

1 Адрес отправителя ndash некоторое число (или набор чисел) позволяющее

идентифицировать сетевой адаптер (а следовательно и компьютер в

котором она установлена) который осуществил передачу кадра данных в

сеть Адреса присваиваются сетевым адаптерам на заводе-изготовителе и

как правило не изменяются в дальнейшем хотя большинство современных

адаптеров позволяют перепрограммировать сетевой адрес

Протоколы канального уровня и сетевые технологии

Функциональный состав того или иного протокола канального уровня во

многом определяется особенностями физического уровня например

топологией сети или типом среды передачи Поэтому при проектировании

сетевого взаимодействия используются и разрабатываются комплексные

стандарты получившие название сетевых технологий

Сетевая технология ndash это набор стандартов определяющий минимальный

состав программно-аппаратных средств достаточный для организации

взаимодействия компьютеров в сети Как правило сетевая технология

определяет топологию сети а также протокол канального уровня (формат

кадра порядок обмена кадрами MTU)

В настоящее время существует большое количество сетевых технологий и

соответственно определяемых ими протоколов канального уровня

Рассмотрим для примера одну из наиболее популярных в настоящее время

технологий ndash технологию локальных сетей Ethernet Эта технология

предполагает что сеть должна строиться на основе физических топологий

шина если используется коаксиальный кабель или звезда если

используется кабель типа витая пара В зависимости от типа используемого

кабеля скорость передачи данных лежит в диапазоне 10-100 Мбитс В

качестве метода доступа к среде передачи используется метод обнаружения

коллизий (CSMACD) Что касается формата кадра то в настоящее время на

практике используются 4 варианта кадров Ethernet отличающихся друг от

друга но все они согласуются с общими положениями изложенными ранее

Максимальный объем данных передаваемых в одном кадре (MTU) в

технологии Ethernet не может превышать 1500 байт

Помимо технологии Ethernet в настоящее время в локальных сетях широко

используются технологии AppleTalk FDDI и ATM В глобальных сетях

широко распространены технологии ATM FrameRelay ISDN и SMDS

Существует также ряд технологий использующихся для организации

беспроводных сетей Наиболее популярной технологией применяемой при

- 38 -

построении локальных сетей в настоящее время является технология

RadioEthernet Она предполагает передачу данных в двух УКВ-диапазонах

около 915 МГЦ и 2400-24835 МГц а также в инфракрасном спектре

Диапазон 915 МГц в России и Европе достаточно сильно загружен

средствами связи (сотовая телефония) поэтому он используется как

правило для организации сетей внутри зданий хотя технически позволяет

осуществлять передачу на значительные расстояния Это же ограничение

распространяется и на инфракрасный диапазон поскольку инфракрасные

лучи чувствительны к погодным условиям В зависимости от того какой

режим передачи используется сети RadioEthernet позволяют осуществлять

передачу данных со скоростью 2 - 10 Мбитс Технология RadioEthernet

предполагает построение сетей на базе топологий точка-точка и звезда В

качестве метода доступа используется метод предупреждения коллизий

(CSMACA)

Наряду с кабельными и беспроводными технологиями существуют также

технологии предполагающие комбинирование различных типов физической

среды передачи Обычно они применяются для построения асимметричных

сетей небольшие по объему запросы пользовательских компьютеров

передаются по кабельным каналам например с использованием телефонных

линий и модемов а прием осуществляется через спутниковый радиоканал

Объединение сетей на канальном уровне

Сложные сети в общем случае представляют собой совокупность

нескольких сетей Такие сети называются объединенными сетями

(internetwork)

Необходимость объединения сетей может быть вызвана разными причинами

Прежде всего это - преодоление технических ограничений среды передачи

например максимального расстояния передачи данных Кроме того

построение сети как объединенной позволяет повысить надежность (выход

из строя одной физической среды не влияет на работу остальных) и

обеспечить определенный уровень конфиденциальности (данные

передаваемые между компьютерами одной физической среды оказываются

недоступными компьютерам других сетей)

Для построения объединенных сетей требуются специальные устройства

которые позволяют подключать к себе две (или более) сети Наиболее

простым устройством такого вида является мост (bridge)

Мост

- 39 -

Принцип функционирования моста достаточно прост для подключения сетей

мост располагает несколькими портами с каждым из которых связываются

записи так называемой адресной таблицы содержащей список адресов

компьютеров сетей подключенных к мосту Когда мост получает кадр

данных то он передает его в сеть через порт который согласно таблице

соответствует адресу получателя В случае если адрес получателя не

обнаружен в адресной таблице то кадр передается во все сети Адресные

таблицы мостов как правило строятся на основе анализа кадров

передаваемых по сетям

Функции сетевого уровня

Сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе

различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне

достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети

но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети

с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это

объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

адресации определенных различными технологиями Поэтому для

обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства

представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую

абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых

технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого

уровня модели OSI

Очевидно что устройства этого уровня предназначенные для объединения

сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального

уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную

передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть

определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку

составной сети Процесс определения пути прохождения данных через

подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства

объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название

маршрутизаторов

- 40 -

Протокол IP

Протокол IP (Internet Protocol) входит в состав стека протоколов TCPIP и

является основным протоколом сетевого уровня использующимся в

Интернет и обеспечивающим единую схему логической адресации устройств

в сети и маршрутизацию данных

Для выполнения своих функций протокол определяет свой собственный

формат пакета Основными информационными полями заголовка пакета

являются

IP-адреса отправителя и получателя ndash предназначены для

идентификации отправителя и получателя (см IP-адресация)

Время жизни пакета (Time To Live TTL) - определяет время которое

IP-пакет может находиться в сети и предназначено для

предотвращения захламления сети заблудившимися пакетами

поля предназначенные для фрагментации пакетов (см IP-

фрагментация)

поля предназначенные для управления обработкой пакета (длина

пакета и заголовка контрольная сумма заголовка тип обслуживания и

тд)

Существует 5 классов IP-адресов ndash A B C D E Принадлежность IP-

адреса к тому или иному классу определяется значением первого

октета (W) Ниже показано соответствие значений первого октета и

классов адресов

Класс IP-адреса A B C D E

Диапазон первого

октета

1-

126

128-

191

192-

223

224-

239

240-

247

IP-адреса первых трех классов предназначены для адресации

отдельных узлов и отдельных сетей Такие адреса состоят из двух

частей ndash номера сети и номера узла Такая схема аналогична схеме

почтовых индексов ndash первые три цифры кодируют регион а остальные

ndash почтовое отделение внутри региона

Преимущества двухуровневой схемы очевидны она позволяет во-

первых адресовать целиком отдельные сети внутри составной сети

что необходимо для обеспечения маршрутизации а во-вторых ndash

присваивать узлам номера внутри одной сети независимо от других

сетей Естественно что компьютеры входящие в одну и ту же сеть

должны иметь IP-адреса с одинаковым номером сети

- 41 -

IP-Маршрутизация ndash процесс выбора пути для передачи пакета в сети Под

путем (маршрутом) понимается последовательность маршрутизаторов через

которые проходит пакет по пути к узлу-назначению IP-маршрутизатор ndash это

специальное устройство предназначенное для объединения сетей и

обеспечивающее определение пути прохождения пакетов в составной сети

Маршрутизатор должен иметь несколько IP-адресов с номерами сетей

соответствующими номерам объединяемых сетей

Как известно для разных сетевых технологий значение MTU определенное

для кадров данных может отличаться Поэтому при преобразовании кадров

на маршрутизаторе может потребоваться разделение вложенных в них IP-

пакетов на более мелкие пакеты

Для разделения пакетов на фрагменты модуль IP установленный на

маршрутизаторе создает на его основе некоторое число новых пакетов (в

соответствии с длиной исходного пакета и значения MTU для сети куда

должны быть переданы данные) Для того чтобы данные могли быть

правильно собраны получателем в заголовки новых IP-пакетов помещается

специальный числовой идентификатор позволяющий однозначно

определить что эти пакеты являются фрагментами одного большого пакета

Кроме того в заголовках также указывается положения фрагментов в

исходном пакете что позволяет обеспечить правильный порядок сборки

получателем

Вспомогательные протоколы сетевого уровня стека TCPIP

Главными функциями протокола IP является обеспечение единой схемы

адресации независимой от принципов адресации определяемых сетевыми

технологиями (адресацией канального уровня) а также передача данных по

составной сети (маршрутизация и фрагментация пакетов) Однако для

организации реального взаимодействия этого оказывается недостаточно -

существует еще ряд проблем

Первая проблема состоит в следующем Для того чтобы передать данные по

сети программное обеспечение протокола IP создает пакет и передает его

средствам канального уровня При этом средствам канального уровня для

формирования кадра данных необходим адрес получателя причем не

логический IP-адрес а MAC-адрес который может быть правильно опознан

сетевым адаптером принимающего компьютера Однако спецификацией

протокола IP не предусмотрен механизм позволяющий определять

соответствие между аппаратными и IP-адресами Эту функцию выполняет

вспомогательный протокол сетевого уровня ARP (Address Resolution

Protocol) входящий в семейство протоколов TCPIP

- 42 -

Другая серьезная проблема состоит в том что если при обработке IP-пакета

на маршрутизаторе возникли какие-то проблемы например истекло время

жизни пакета то отправитель о них не узнает поскольку механизм

обратной связи также не предусмотрен спецификацией протокола IP Для

решения этой проблемы используется специальный протокол сетевого

уровня ICMP (Internet Control Message Protocol) входящий в стек протоколов

TCPIP и обеспечивающий передачу управляющей информации и

информации об ошибках

В семействе протоколов TCPIP предусмотрен также ряд других

вспомогательных протоколов например протоколы динамической

маршрутизации обеспечивающие обмен информацией между

маршрутизаторами с целью автоматизации построения таблиц

маршрутизации

Транспортный уровень

Функции транспортного уровня

Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных между

устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд)

Однако не следует забывать что на одном узле может функционировать

параллельно несколько программ которым требуется доступ к сети

Следовательно данные внутри компьютерной системы должны

распределяться между программами Поэтому при передаче данных по сети

недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо также

идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является

отсутствие средств позволяющих передавать большие массивы данных

Когда исходные данные превышают максимально допустимый размер пакета

сетевого уровня то эти данные должны быть разбиты на порции каждая из

которых передается в сеть отдельным пакетом Однако каждый пакет

сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других блок

данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и

следовательно ndash обнаружить нарушение целостности общего массива

данных Поэтому средства транспортного уровня обеспечивают отсутствие

потерь информации Такой режим передачи данных получил название

гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой

- 43 -

функциональную надстройку над сетевым уровнем и решают две основных

задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

обеспечение гарантированной доставки массивов данных

произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash

UDP обеспечивающий негарантированную доставку данных между

программами и TCP обеспечивающий гарантированную доставку с

установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной

уровень

Компоненты четырех нижних уровней модели OSI (физического канального

сетевого и транспортного) представляют собой механизм обеспечивающий

доставку данных любого типа и произвольного объема между программами

работающими на разных узлах составной сети Однако при работе в сети

пользователям требуется не просто пересылка данных а выполнение каких-

либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех

возможностей которые предоставляют средства нижних уровней

недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо

просмотреть документ расположенный не на его локальном компьютере а

на удаленной машине Решение такой задачи предполагает как минимум

прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса

содержащего имя документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного

компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной

машины изменений вносимых в этот документ другими пользователями и

уведомление об этом пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав

пользователя на работу с документом что предполагает дополнительный

- 44 -

обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних

уровней не имеют средств позволяющих реализовать специфику такого

взаимодействия Поэтому для его организации требуются дополнительные

надстройки над средствами транспортного и нижележащих уровней В

эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный уровень

уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или

сессии) при длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое

(виртуальное) соединение между двумя программами в общем случае

функционирующими на разных компьютерах В простейшем случае

установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти

необходимых для приема и передачи данных После окончания передачи

данных происходит закрытие соединения предполагающее освобождение

выделенных ресурсов Во многих случаях этого недостаточно поэтому

сессионный уровень предлагает более сложные механизмы для организации

сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая

поддержка осуществляется путем периодической отправки специальных

тестовых пакетов при получении которых участник соединения должен

ответить Возвращаясь к предложенному выше примеру следует отметить

что установление соединения при работе с удаленным документом позволяет

один раз перед началом работы проверить права доступа пользователя а

также один раз передать запрос с именем файла В случае если бы

соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог

бы уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться

дополнительное преобразование Например это необходимо в случае если

взаимодействующие программы используют различные способы кодировки

текстовой информации или если для обеспечения защиты информации

требуется осуществлять шифрование данных Обеспечение подобных

промежуточных преобразований возложено на уровень представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными

уровнями Они позволяют осуществлять работу с различными

информационными ресурсами сети например файлами или сообщениями

электронной почты Естественно что различные типы ресурсов в общем

случае требуют различных методов обработки и в том числе методов

сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI

- 45 -

является прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции

работы с конкретными информационными объектами В предложенном выше

примере (чтение удаленного документа) к функциям прикладного протокола

относятся формирование запросов на получение документа проверка прав

доступа а также определение порядка пересылки файлов и уведомлений об

изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами

определяемых протоколами прикладного уровня часть функций сессионного

уровня и уровня представления может оказаться избыточной поэтому при

программной реализации три верхних уровня обычно объединяются

Page 35: - 3 - ВВЕДЕНИЕicm.muctr.ru/study/computers/inf001.pdf · 2016-08-25 · - 7 - А) Количество информации как мера уменьшения неопределенности

- 37 -

1 Адрес отправителя ndash некоторое число (или набор чисел) позволяющее

идентифицировать сетевой адаптер (а следовательно и компьютер в

котором она установлена) который осуществил передачу кадра данных в

сеть Адреса присваиваются сетевым адаптерам на заводе-изготовителе и

как правило не изменяются в дальнейшем хотя большинство современных

адаптеров позволяют перепрограммировать сетевой адрес

Протоколы канального уровня и сетевые технологии

Функциональный состав того или иного протокола канального уровня во

многом определяется особенностями физического уровня например

топологией сети или типом среды передачи Поэтому при проектировании

сетевого взаимодействия используются и разрабатываются комплексные

стандарты получившие название сетевых технологий

Сетевая технология ndash это набор стандартов определяющий минимальный

состав программно-аппаратных средств достаточный для организации

взаимодействия компьютеров в сети Как правило сетевая технология

определяет топологию сети а также протокол канального уровня (формат

кадра порядок обмена кадрами MTU)

В настоящее время существует большое количество сетевых технологий и

соответственно определяемых ими протоколов канального уровня

Рассмотрим для примера одну из наиболее популярных в настоящее время

технологий ndash технологию локальных сетей Ethernet Эта технология

предполагает что сеть должна строиться на основе физических топологий

шина если используется коаксиальный кабель или звезда если

используется кабель типа витая пара В зависимости от типа используемого

кабеля скорость передачи данных лежит в диапазоне 10-100 Мбитс В

качестве метода доступа к среде передачи используется метод обнаружения

коллизий (CSMACD) Что касается формата кадра то в настоящее время на

практике используются 4 варианта кадров Ethernet отличающихся друг от

друга но все они согласуются с общими положениями изложенными ранее

Максимальный объем данных передаваемых в одном кадре (MTU) в

технологии Ethernet не может превышать 1500 байт

Помимо технологии Ethernet в настоящее время в локальных сетях широко

используются технологии AppleTalk FDDI и ATM В глобальных сетях

широко распространены технологии ATM FrameRelay ISDN и SMDS

Существует также ряд технологий использующихся для организации

беспроводных сетей Наиболее популярной технологией применяемой при

- 38 -

построении локальных сетей в настоящее время является технология

RadioEthernet Она предполагает передачу данных в двух УКВ-диапазонах

около 915 МГЦ и 2400-24835 МГц а также в инфракрасном спектре

Диапазон 915 МГц в России и Европе достаточно сильно загружен

средствами связи (сотовая телефония) поэтому он используется как

правило для организации сетей внутри зданий хотя технически позволяет

осуществлять передачу на значительные расстояния Это же ограничение

распространяется и на инфракрасный диапазон поскольку инфракрасные

лучи чувствительны к погодным условиям В зависимости от того какой

режим передачи используется сети RadioEthernet позволяют осуществлять

передачу данных со скоростью 2 - 10 Мбитс Технология RadioEthernet

предполагает построение сетей на базе топологий точка-точка и звезда В

качестве метода доступа используется метод предупреждения коллизий

(CSMACA)

Наряду с кабельными и беспроводными технологиями существуют также

технологии предполагающие комбинирование различных типов физической

среды передачи Обычно они применяются для построения асимметричных

сетей небольшие по объему запросы пользовательских компьютеров

передаются по кабельным каналам например с использованием телефонных

линий и модемов а прием осуществляется через спутниковый радиоканал

Объединение сетей на канальном уровне

Сложные сети в общем случае представляют собой совокупность

нескольких сетей Такие сети называются объединенными сетями

(internetwork)

Необходимость объединения сетей может быть вызвана разными причинами

Прежде всего это - преодоление технических ограничений среды передачи

например максимального расстояния передачи данных Кроме того

построение сети как объединенной позволяет повысить надежность (выход

из строя одной физической среды не влияет на работу остальных) и

обеспечить определенный уровень конфиденциальности (данные

передаваемые между компьютерами одной физической среды оказываются

недоступными компьютерам других сетей)

Для построения объединенных сетей требуются специальные устройства

которые позволяют подключать к себе две (или более) сети Наиболее

простым устройством такого вида является мост (bridge)

Мост

- 39 -

Принцип функционирования моста достаточно прост для подключения сетей

мост располагает несколькими портами с каждым из которых связываются

записи так называемой адресной таблицы содержащей список адресов

компьютеров сетей подключенных к мосту Когда мост получает кадр

данных то он передает его в сеть через порт который согласно таблице

соответствует адресу получателя В случае если адрес получателя не

обнаружен в адресной таблице то кадр передается во все сети Адресные

таблицы мостов как правило строятся на основе анализа кадров

передаваемых по сетям

Функции сетевого уровня

Сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе

различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне

достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети

но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети

с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это

объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

адресации определенных различными технологиями Поэтому для

обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства

представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую

абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых

технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого

уровня модели OSI

Очевидно что устройства этого уровня предназначенные для объединения

сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального

уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную

передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть

определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку

составной сети Процесс определения пути прохождения данных через

подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства

объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название

маршрутизаторов

- 40 -

Протокол IP

Протокол IP (Internet Protocol) входит в состав стека протоколов TCPIP и

является основным протоколом сетевого уровня использующимся в

Интернет и обеспечивающим единую схему логической адресации устройств

в сети и маршрутизацию данных

Для выполнения своих функций протокол определяет свой собственный

формат пакета Основными информационными полями заголовка пакета

являются

IP-адреса отправителя и получателя ndash предназначены для

идентификации отправителя и получателя (см IP-адресация)

Время жизни пакета (Time To Live TTL) - определяет время которое

IP-пакет может находиться в сети и предназначено для

предотвращения захламления сети заблудившимися пакетами

поля предназначенные для фрагментации пакетов (см IP-

фрагментация)

поля предназначенные для управления обработкой пакета (длина

пакета и заголовка контрольная сумма заголовка тип обслуживания и

тд)

Существует 5 классов IP-адресов ndash A B C D E Принадлежность IP-

адреса к тому или иному классу определяется значением первого

октета (W) Ниже показано соответствие значений первого октета и

классов адресов

Класс IP-адреса A B C D E

Диапазон первого

октета

1-

126

128-

191

192-

223

224-

239

240-

247

IP-адреса первых трех классов предназначены для адресации

отдельных узлов и отдельных сетей Такие адреса состоят из двух

частей ndash номера сети и номера узла Такая схема аналогична схеме

почтовых индексов ndash первые три цифры кодируют регион а остальные

ndash почтовое отделение внутри региона

Преимущества двухуровневой схемы очевидны она позволяет во-

первых адресовать целиком отдельные сети внутри составной сети

что необходимо для обеспечения маршрутизации а во-вторых ndash

присваивать узлам номера внутри одной сети независимо от других

сетей Естественно что компьютеры входящие в одну и ту же сеть

должны иметь IP-адреса с одинаковым номером сети

- 41 -

IP-Маршрутизация ndash процесс выбора пути для передачи пакета в сети Под

путем (маршрутом) понимается последовательность маршрутизаторов через

которые проходит пакет по пути к узлу-назначению IP-маршрутизатор ndash это

специальное устройство предназначенное для объединения сетей и

обеспечивающее определение пути прохождения пакетов в составной сети

Маршрутизатор должен иметь несколько IP-адресов с номерами сетей

соответствующими номерам объединяемых сетей

Как известно для разных сетевых технологий значение MTU определенное

для кадров данных может отличаться Поэтому при преобразовании кадров

на маршрутизаторе может потребоваться разделение вложенных в них IP-

пакетов на более мелкие пакеты

Для разделения пакетов на фрагменты модуль IP установленный на

маршрутизаторе создает на его основе некоторое число новых пакетов (в

соответствии с длиной исходного пакета и значения MTU для сети куда

должны быть переданы данные) Для того чтобы данные могли быть

правильно собраны получателем в заголовки новых IP-пакетов помещается

специальный числовой идентификатор позволяющий однозначно

определить что эти пакеты являются фрагментами одного большого пакета

Кроме того в заголовках также указывается положения фрагментов в

исходном пакете что позволяет обеспечить правильный порядок сборки

получателем

Вспомогательные протоколы сетевого уровня стека TCPIP

Главными функциями протокола IP является обеспечение единой схемы

адресации независимой от принципов адресации определяемых сетевыми

технологиями (адресацией канального уровня) а также передача данных по

составной сети (маршрутизация и фрагментация пакетов) Однако для

организации реального взаимодействия этого оказывается недостаточно -

существует еще ряд проблем

Первая проблема состоит в следующем Для того чтобы передать данные по

сети программное обеспечение протокола IP создает пакет и передает его

средствам канального уровня При этом средствам канального уровня для

формирования кадра данных необходим адрес получателя причем не

логический IP-адрес а MAC-адрес который может быть правильно опознан

сетевым адаптером принимающего компьютера Однако спецификацией

протокола IP не предусмотрен механизм позволяющий определять

соответствие между аппаратными и IP-адресами Эту функцию выполняет

вспомогательный протокол сетевого уровня ARP (Address Resolution

Protocol) входящий в семейство протоколов TCPIP

- 42 -

Другая серьезная проблема состоит в том что если при обработке IP-пакета

на маршрутизаторе возникли какие-то проблемы например истекло время

жизни пакета то отправитель о них не узнает поскольку механизм

обратной связи также не предусмотрен спецификацией протокола IP Для

решения этой проблемы используется специальный протокол сетевого

уровня ICMP (Internet Control Message Protocol) входящий в стек протоколов

TCPIP и обеспечивающий передачу управляющей информации и

информации об ошибках

В семействе протоколов TCPIP предусмотрен также ряд других

вспомогательных протоколов например протоколы динамической

маршрутизации обеспечивающие обмен информацией между

маршрутизаторами с целью автоматизации построения таблиц

маршрутизации

Транспортный уровень

Функции транспортного уровня

Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных между

устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд)

Однако не следует забывать что на одном узле может функционировать

параллельно несколько программ которым требуется доступ к сети

Следовательно данные внутри компьютерной системы должны

распределяться между программами Поэтому при передаче данных по сети

недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо также

идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является

отсутствие средств позволяющих передавать большие массивы данных

Когда исходные данные превышают максимально допустимый размер пакета

сетевого уровня то эти данные должны быть разбиты на порции каждая из

которых передается в сеть отдельным пакетом Однако каждый пакет

сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других блок

данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и

следовательно ndash обнаружить нарушение целостности общего массива

данных Поэтому средства транспортного уровня обеспечивают отсутствие

потерь информации Такой режим передачи данных получил название

гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой

- 43 -

функциональную надстройку над сетевым уровнем и решают две основных

задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

обеспечение гарантированной доставки массивов данных

произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash

UDP обеспечивающий негарантированную доставку данных между

программами и TCP обеспечивающий гарантированную доставку с

установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной

уровень

Компоненты четырех нижних уровней модели OSI (физического канального

сетевого и транспортного) представляют собой механизм обеспечивающий

доставку данных любого типа и произвольного объема между программами

работающими на разных узлах составной сети Однако при работе в сети

пользователям требуется не просто пересылка данных а выполнение каких-

либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех

возможностей которые предоставляют средства нижних уровней

недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо

просмотреть документ расположенный не на его локальном компьютере а

на удаленной машине Решение такой задачи предполагает как минимум

прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса

содержащего имя документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного

компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной

машины изменений вносимых в этот документ другими пользователями и

уведомление об этом пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав

пользователя на работу с документом что предполагает дополнительный

- 44 -

обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних

уровней не имеют средств позволяющих реализовать специфику такого

взаимодействия Поэтому для его организации требуются дополнительные

надстройки над средствами транспортного и нижележащих уровней В

эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный уровень

уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или

сессии) при длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое

(виртуальное) соединение между двумя программами в общем случае

функционирующими на разных компьютерах В простейшем случае

установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти

необходимых для приема и передачи данных После окончания передачи

данных происходит закрытие соединения предполагающее освобождение

выделенных ресурсов Во многих случаях этого недостаточно поэтому

сессионный уровень предлагает более сложные механизмы для организации

сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая

поддержка осуществляется путем периодической отправки специальных

тестовых пакетов при получении которых участник соединения должен

ответить Возвращаясь к предложенному выше примеру следует отметить

что установление соединения при работе с удаленным документом позволяет

один раз перед началом работы проверить права доступа пользователя а

также один раз передать запрос с именем файла В случае если бы

соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог

бы уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться

дополнительное преобразование Например это необходимо в случае если

взаимодействующие программы используют различные способы кодировки

текстовой информации или если для обеспечения защиты информации

требуется осуществлять шифрование данных Обеспечение подобных

промежуточных преобразований возложено на уровень представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными

уровнями Они позволяют осуществлять работу с различными

информационными ресурсами сети например файлами или сообщениями

электронной почты Естественно что различные типы ресурсов в общем

случае требуют различных методов обработки и в том числе методов

сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI

- 45 -

является прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции

работы с конкретными информационными объектами В предложенном выше

примере (чтение удаленного документа) к функциям прикладного протокола

относятся формирование запросов на получение документа проверка прав

доступа а также определение порядка пересылки файлов и уведомлений об

изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами

определяемых протоколами прикладного уровня часть функций сессионного

уровня и уровня представления может оказаться избыточной поэтому при

программной реализации три верхних уровня обычно объединяются

Page 36: - 3 - ВВЕДЕНИЕicm.muctr.ru/study/computers/inf001.pdf · 2016-08-25 · - 7 - А) Количество информации как мера уменьшения неопределенности

- 38 -

построении локальных сетей в настоящее время является технология

RadioEthernet Она предполагает передачу данных в двух УКВ-диапазонах

около 915 МГЦ и 2400-24835 МГц а также в инфракрасном спектре

Диапазон 915 МГц в России и Европе достаточно сильно загружен

средствами связи (сотовая телефония) поэтому он используется как

правило для организации сетей внутри зданий хотя технически позволяет

осуществлять передачу на значительные расстояния Это же ограничение

распространяется и на инфракрасный диапазон поскольку инфракрасные

лучи чувствительны к погодным условиям В зависимости от того какой

режим передачи используется сети RadioEthernet позволяют осуществлять

передачу данных со скоростью 2 - 10 Мбитс Технология RadioEthernet

предполагает построение сетей на базе топологий точка-точка и звезда В

качестве метода доступа используется метод предупреждения коллизий

(CSMACA)

Наряду с кабельными и беспроводными технологиями существуют также

технологии предполагающие комбинирование различных типов физической

среды передачи Обычно они применяются для построения асимметричных

сетей небольшие по объему запросы пользовательских компьютеров

передаются по кабельным каналам например с использованием телефонных

линий и модемов а прием осуществляется через спутниковый радиоканал

Объединение сетей на канальном уровне

Сложные сети в общем случае представляют собой совокупность

нескольких сетей Такие сети называются объединенными сетями

(internetwork)

Необходимость объединения сетей может быть вызвана разными причинами

Прежде всего это - преодоление технических ограничений среды передачи

например максимального расстояния передачи данных Кроме того

построение сети как объединенной позволяет повысить надежность (выход

из строя одной физической среды не влияет на работу остальных) и

обеспечить определенный уровень конфиденциальности (данные

передаваемые между компьютерами одной физической среды оказываются

недоступными компьютерам других сетей)

Для построения объединенных сетей требуются специальные устройства

которые позволяют подключать к себе две (или более) сети Наиболее

простым устройством такого вида является мост (bridge)

Мост

- 39 -

Принцип функционирования моста достаточно прост для подключения сетей

мост располагает несколькими портами с каждым из которых связываются

записи так называемой адресной таблицы содержащей список адресов

компьютеров сетей подключенных к мосту Когда мост получает кадр

данных то он передает его в сеть через порт который согласно таблице

соответствует адресу получателя В случае если адрес получателя не

обнаружен в адресной таблице то кадр передается во все сети Адресные

таблицы мостов как правило строятся на основе анализа кадров

передаваемых по сетям

Функции сетевого уровня

Сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе

различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне

достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети

но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети

с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это

объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

адресации определенных различными технологиями Поэтому для

обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства

представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую

абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых

технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого

уровня модели OSI

Очевидно что устройства этого уровня предназначенные для объединения

сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального

уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную

передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть

определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку

составной сети Процесс определения пути прохождения данных через

подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства

объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название

маршрутизаторов

- 40 -

Протокол IP

Протокол IP (Internet Protocol) входит в состав стека протоколов TCPIP и

является основным протоколом сетевого уровня использующимся в

Интернет и обеспечивающим единую схему логической адресации устройств

в сети и маршрутизацию данных

Для выполнения своих функций протокол определяет свой собственный

формат пакета Основными информационными полями заголовка пакета

являются

IP-адреса отправителя и получателя ndash предназначены для

идентификации отправителя и получателя (см IP-адресация)

Время жизни пакета (Time To Live TTL) - определяет время которое

IP-пакет может находиться в сети и предназначено для

предотвращения захламления сети заблудившимися пакетами

поля предназначенные для фрагментации пакетов (см IP-

фрагментация)

поля предназначенные для управления обработкой пакета (длина

пакета и заголовка контрольная сумма заголовка тип обслуживания и

тд)

Существует 5 классов IP-адресов ndash A B C D E Принадлежность IP-

адреса к тому или иному классу определяется значением первого

октета (W) Ниже показано соответствие значений первого октета и

классов адресов

Класс IP-адреса A B C D E

Диапазон первого

октета

1-

126

128-

191

192-

223

224-

239

240-

247

IP-адреса первых трех классов предназначены для адресации

отдельных узлов и отдельных сетей Такие адреса состоят из двух

частей ndash номера сети и номера узла Такая схема аналогична схеме

почтовых индексов ndash первые три цифры кодируют регион а остальные

ndash почтовое отделение внутри региона

Преимущества двухуровневой схемы очевидны она позволяет во-

первых адресовать целиком отдельные сети внутри составной сети

что необходимо для обеспечения маршрутизации а во-вторых ndash

присваивать узлам номера внутри одной сети независимо от других

сетей Естественно что компьютеры входящие в одну и ту же сеть

должны иметь IP-адреса с одинаковым номером сети

- 41 -

IP-Маршрутизация ndash процесс выбора пути для передачи пакета в сети Под

путем (маршрутом) понимается последовательность маршрутизаторов через

которые проходит пакет по пути к узлу-назначению IP-маршрутизатор ndash это

специальное устройство предназначенное для объединения сетей и

обеспечивающее определение пути прохождения пакетов в составной сети

Маршрутизатор должен иметь несколько IP-адресов с номерами сетей

соответствующими номерам объединяемых сетей

Как известно для разных сетевых технологий значение MTU определенное

для кадров данных может отличаться Поэтому при преобразовании кадров

на маршрутизаторе может потребоваться разделение вложенных в них IP-

пакетов на более мелкие пакеты

Для разделения пакетов на фрагменты модуль IP установленный на

маршрутизаторе создает на его основе некоторое число новых пакетов (в

соответствии с длиной исходного пакета и значения MTU для сети куда

должны быть переданы данные) Для того чтобы данные могли быть

правильно собраны получателем в заголовки новых IP-пакетов помещается

специальный числовой идентификатор позволяющий однозначно

определить что эти пакеты являются фрагментами одного большого пакета

Кроме того в заголовках также указывается положения фрагментов в

исходном пакете что позволяет обеспечить правильный порядок сборки

получателем

Вспомогательные протоколы сетевого уровня стека TCPIP

Главными функциями протокола IP является обеспечение единой схемы

адресации независимой от принципов адресации определяемых сетевыми

технологиями (адресацией канального уровня) а также передача данных по

составной сети (маршрутизация и фрагментация пакетов) Однако для

организации реального взаимодействия этого оказывается недостаточно -

существует еще ряд проблем

Первая проблема состоит в следующем Для того чтобы передать данные по

сети программное обеспечение протокола IP создает пакет и передает его

средствам канального уровня При этом средствам канального уровня для

формирования кадра данных необходим адрес получателя причем не

логический IP-адрес а MAC-адрес который может быть правильно опознан

сетевым адаптером принимающего компьютера Однако спецификацией

протокола IP не предусмотрен механизм позволяющий определять

соответствие между аппаратными и IP-адресами Эту функцию выполняет

вспомогательный протокол сетевого уровня ARP (Address Resolution

Protocol) входящий в семейство протоколов TCPIP

- 42 -

Другая серьезная проблема состоит в том что если при обработке IP-пакета

на маршрутизаторе возникли какие-то проблемы например истекло время

жизни пакета то отправитель о них не узнает поскольку механизм

обратной связи также не предусмотрен спецификацией протокола IP Для

решения этой проблемы используется специальный протокол сетевого

уровня ICMP (Internet Control Message Protocol) входящий в стек протоколов

TCPIP и обеспечивающий передачу управляющей информации и

информации об ошибках

В семействе протоколов TCPIP предусмотрен также ряд других

вспомогательных протоколов например протоколы динамической

маршрутизации обеспечивающие обмен информацией между

маршрутизаторами с целью автоматизации построения таблиц

маршрутизации

Транспортный уровень

Функции транспортного уровня

Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных между

устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд)

Однако не следует забывать что на одном узле может функционировать

параллельно несколько программ которым требуется доступ к сети

Следовательно данные внутри компьютерной системы должны

распределяться между программами Поэтому при передаче данных по сети

недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо также

идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является

отсутствие средств позволяющих передавать большие массивы данных

Когда исходные данные превышают максимально допустимый размер пакета

сетевого уровня то эти данные должны быть разбиты на порции каждая из

которых передается в сеть отдельным пакетом Однако каждый пакет

сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других блок

данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и

следовательно ndash обнаружить нарушение целостности общего массива

данных Поэтому средства транспортного уровня обеспечивают отсутствие

потерь информации Такой режим передачи данных получил название

гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой

- 43 -

функциональную надстройку над сетевым уровнем и решают две основных

задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

обеспечение гарантированной доставки массивов данных

произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash

UDP обеспечивающий негарантированную доставку данных между

программами и TCP обеспечивающий гарантированную доставку с

установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной

уровень

Компоненты четырех нижних уровней модели OSI (физического канального

сетевого и транспортного) представляют собой механизм обеспечивающий

доставку данных любого типа и произвольного объема между программами

работающими на разных узлах составной сети Однако при работе в сети

пользователям требуется не просто пересылка данных а выполнение каких-

либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех

возможностей которые предоставляют средства нижних уровней

недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо

просмотреть документ расположенный не на его локальном компьютере а

на удаленной машине Решение такой задачи предполагает как минимум

прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса

содержащего имя документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного

компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной

машины изменений вносимых в этот документ другими пользователями и

уведомление об этом пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав

пользователя на работу с документом что предполагает дополнительный

- 44 -

обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних

уровней не имеют средств позволяющих реализовать специфику такого

взаимодействия Поэтому для его организации требуются дополнительные

надстройки над средствами транспортного и нижележащих уровней В

эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный уровень

уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или

сессии) при длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое

(виртуальное) соединение между двумя программами в общем случае

функционирующими на разных компьютерах В простейшем случае

установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти

необходимых для приема и передачи данных После окончания передачи

данных происходит закрытие соединения предполагающее освобождение

выделенных ресурсов Во многих случаях этого недостаточно поэтому

сессионный уровень предлагает более сложные механизмы для организации

сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая

поддержка осуществляется путем периодической отправки специальных

тестовых пакетов при получении которых участник соединения должен

ответить Возвращаясь к предложенному выше примеру следует отметить

что установление соединения при работе с удаленным документом позволяет

один раз перед началом работы проверить права доступа пользователя а

также один раз передать запрос с именем файла В случае если бы

соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог

бы уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться

дополнительное преобразование Например это необходимо в случае если

взаимодействующие программы используют различные способы кодировки

текстовой информации или если для обеспечения защиты информации

требуется осуществлять шифрование данных Обеспечение подобных

промежуточных преобразований возложено на уровень представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными

уровнями Они позволяют осуществлять работу с различными

информационными ресурсами сети например файлами или сообщениями

электронной почты Естественно что различные типы ресурсов в общем

случае требуют различных методов обработки и в том числе методов

сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI

- 45 -

является прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции

работы с конкретными информационными объектами В предложенном выше

примере (чтение удаленного документа) к функциям прикладного протокола

относятся формирование запросов на получение документа проверка прав

доступа а также определение порядка пересылки файлов и уведомлений об

изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами

определяемых протоколами прикладного уровня часть функций сессионного

уровня и уровня представления может оказаться избыточной поэтому при

программной реализации три верхних уровня обычно объединяются

Page 37: - 3 - ВВЕДЕНИЕicm.muctr.ru/study/computers/inf001.pdf · 2016-08-25 · - 7 - А) Количество информации как мера уменьшения неопределенности

- 39 -

Принцип функционирования моста достаточно прост для подключения сетей

мост располагает несколькими портами с каждым из которых связываются

записи так называемой адресной таблицы содержащей список адресов

компьютеров сетей подключенных к мосту Когда мост получает кадр

данных то он передает его в сеть через порт который согласно таблице

соответствует адресу получателя В случае если адрес получателя не

обнаружен в адресной таблице то кадр передается во все сети Адресные

таблицы мостов как правило строятся на основе анализа кадров

передаваемых по сетям

Функции сетевого уровня

Сети входящие в состав объединенной сети могут строиться на основе

различных сетевых технологий Каждая сетевая технология вполне

достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети

но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети

с компьютерами подсетей основанных на других технологиях Это

объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов

адресации определенных различными технологиями Поэтому для

обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства

представляющие собой надстройку над канальным уровнем позволяющую

абстрагироваться от конкретных решений заложенных в сетевых

технологиях В качестве такой надстройки выступают средства сетевого

уровня модели OSI

Очевидно что устройства этого уровня предназначенные для объединения

сетей должны быть устроены гораздо сложнее чем устройства канального

уровня Во-вторых эти устройства должны обеспечивать целенаправленную

передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть

определять путь прохождения данных) чтобы не вызывать перегрузку

составной сети Процесс определения пути прохождения данных через

подсети составной сети называется маршрутизацией а устройства

объединяющие сети и решающие перечисленные задачи получили название

маршрутизаторов

- 40 -

Протокол IP

Протокол IP (Internet Protocol) входит в состав стека протоколов TCPIP и

является основным протоколом сетевого уровня использующимся в

Интернет и обеспечивающим единую схему логической адресации устройств

в сети и маршрутизацию данных

Для выполнения своих функций протокол определяет свой собственный

формат пакета Основными информационными полями заголовка пакета

являются

IP-адреса отправителя и получателя ndash предназначены для

идентификации отправителя и получателя (см IP-адресация)

Время жизни пакета (Time To Live TTL) - определяет время которое

IP-пакет может находиться в сети и предназначено для

предотвращения захламления сети заблудившимися пакетами

поля предназначенные для фрагментации пакетов (см IP-

фрагментация)

поля предназначенные для управления обработкой пакета (длина

пакета и заголовка контрольная сумма заголовка тип обслуживания и

тд)

Существует 5 классов IP-адресов ndash A B C D E Принадлежность IP-

адреса к тому или иному классу определяется значением первого

октета (W) Ниже показано соответствие значений первого октета и

классов адресов

Класс IP-адреса A B C D E

Диапазон первого

октета

1-

126

128-

191

192-

223

224-

239

240-

247

IP-адреса первых трех классов предназначены для адресации

отдельных узлов и отдельных сетей Такие адреса состоят из двух

частей ndash номера сети и номера узла Такая схема аналогична схеме

почтовых индексов ndash первые три цифры кодируют регион а остальные

ndash почтовое отделение внутри региона

Преимущества двухуровневой схемы очевидны она позволяет во-

первых адресовать целиком отдельные сети внутри составной сети

что необходимо для обеспечения маршрутизации а во-вторых ndash

присваивать узлам номера внутри одной сети независимо от других

сетей Естественно что компьютеры входящие в одну и ту же сеть

должны иметь IP-адреса с одинаковым номером сети

- 41 -

IP-Маршрутизация ndash процесс выбора пути для передачи пакета в сети Под

путем (маршрутом) понимается последовательность маршрутизаторов через

которые проходит пакет по пути к узлу-назначению IP-маршрутизатор ndash это

специальное устройство предназначенное для объединения сетей и

обеспечивающее определение пути прохождения пакетов в составной сети

Маршрутизатор должен иметь несколько IP-адресов с номерами сетей

соответствующими номерам объединяемых сетей

Как известно для разных сетевых технологий значение MTU определенное

для кадров данных может отличаться Поэтому при преобразовании кадров

на маршрутизаторе может потребоваться разделение вложенных в них IP-

пакетов на более мелкие пакеты

Для разделения пакетов на фрагменты модуль IP установленный на

маршрутизаторе создает на его основе некоторое число новых пакетов (в

соответствии с длиной исходного пакета и значения MTU для сети куда

должны быть переданы данные) Для того чтобы данные могли быть

правильно собраны получателем в заголовки новых IP-пакетов помещается

специальный числовой идентификатор позволяющий однозначно

определить что эти пакеты являются фрагментами одного большого пакета

Кроме того в заголовках также указывается положения фрагментов в

исходном пакете что позволяет обеспечить правильный порядок сборки

получателем

Вспомогательные протоколы сетевого уровня стека TCPIP

Главными функциями протокола IP является обеспечение единой схемы

адресации независимой от принципов адресации определяемых сетевыми

технологиями (адресацией канального уровня) а также передача данных по

составной сети (маршрутизация и фрагментация пакетов) Однако для

организации реального взаимодействия этого оказывается недостаточно -

существует еще ряд проблем

Первая проблема состоит в следующем Для того чтобы передать данные по

сети программное обеспечение протокола IP создает пакет и передает его

средствам канального уровня При этом средствам канального уровня для

формирования кадра данных необходим адрес получателя причем не

логический IP-адрес а MAC-адрес который может быть правильно опознан

сетевым адаптером принимающего компьютера Однако спецификацией

протокола IP не предусмотрен механизм позволяющий определять

соответствие между аппаратными и IP-адресами Эту функцию выполняет

вспомогательный протокол сетевого уровня ARP (Address Resolution

Protocol) входящий в семейство протоколов TCPIP

- 42 -

Другая серьезная проблема состоит в том что если при обработке IP-пакета

на маршрутизаторе возникли какие-то проблемы например истекло время

жизни пакета то отправитель о них не узнает поскольку механизм

обратной связи также не предусмотрен спецификацией протокола IP Для

решения этой проблемы используется специальный протокол сетевого

уровня ICMP (Internet Control Message Protocol) входящий в стек протоколов

TCPIP и обеспечивающий передачу управляющей информации и

информации об ошибках

В семействе протоколов TCPIP предусмотрен также ряд других

вспомогательных протоколов например протоколы динамической

маршрутизации обеспечивающие обмен информацией между

маршрутизаторами с целью автоматизации построения таблиц

маршрутизации

Транспортный уровень

Функции транспортного уровня

Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных между

устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд)

Однако не следует забывать что на одном узле может функционировать

параллельно несколько программ которым требуется доступ к сети

Следовательно данные внутри компьютерной системы должны

распределяться между программами Поэтому при передаче данных по сети

недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо также

идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является

отсутствие средств позволяющих передавать большие массивы данных

Когда исходные данные превышают максимально допустимый размер пакета

сетевого уровня то эти данные должны быть разбиты на порции каждая из

которых передается в сеть отдельным пакетом Однако каждый пакет

сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других блок

данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и

следовательно ndash обнаружить нарушение целостности общего массива

данных Поэтому средства транспортного уровня обеспечивают отсутствие

потерь информации Такой режим передачи данных получил название

гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой

- 43 -

функциональную надстройку над сетевым уровнем и решают две основных

задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

обеспечение гарантированной доставки массивов данных

произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash

UDP обеспечивающий негарантированную доставку данных между

программами и TCP обеспечивающий гарантированную доставку с

установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной

уровень

Компоненты четырех нижних уровней модели OSI (физического канального

сетевого и транспортного) представляют собой механизм обеспечивающий

доставку данных любого типа и произвольного объема между программами

работающими на разных узлах составной сети Однако при работе в сети

пользователям требуется не просто пересылка данных а выполнение каких-

либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех

возможностей которые предоставляют средства нижних уровней

недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо

просмотреть документ расположенный не на его локальном компьютере а

на удаленной машине Решение такой задачи предполагает как минимум

прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса

содержащего имя документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного

компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной

машины изменений вносимых в этот документ другими пользователями и

уведомление об этом пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав

пользователя на работу с документом что предполагает дополнительный

- 44 -

обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних

уровней не имеют средств позволяющих реализовать специфику такого

взаимодействия Поэтому для его организации требуются дополнительные

надстройки над средствами транспортного и нижележащих уровней В

эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный уровень

уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или

сессии) при длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое

(виртуальное) соединение между двумя программами в общем случае

функционирующими на разных компьютерах В простейшем случае

установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти

необходимых для приема и передачи данных После окончания передачи

данных происходит закрытие соединения предполагающее освобождение

выделенных ресурсов Во многих случаях этого недостаточно поэтому

сессионный уровень предлагает более сложные механизмы для организации

сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая

поддержка осуществляется путем периодической отправки специальных

тестовых пакетов при получении которых участник соединения должен

ответить Возвращаясь к предложенному выше примеру следует отметить

что установление соединения при работе с удаленным документом позволяет

один раз перед началом работы проверить права доступа пользователя а

также один раз передать запрос с именем файла В случае если бы

соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог

бы уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться

дополнительное преобразование Например это необходимо в случае если

взаимодействующие программы используют различные способы кодировки

текстовой информации или если для обеспечения защиты информации

требуется осуществлять шифрование данных Обеспечение подобных

промежуточных преобразований возложено на уровень представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными

уровнями Они позволяют осуществлять работу с различными

информационными ресурсами сети например файлами или сообщениями

электронной почты Естественно что различные типы ресурсов в общем

случае требуют различных методов обработки и в том числе методов

сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI

- 45 -

является прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции

работы с конкретными информационными объектами В предложенном выше

примере (чтение удаленного документа) к функциям прикладного протокола

относятся формирование запросов на получение документа проверка прав

доступа а также определение порядка пересылки файлов и уведомлений об

изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами

определяемых протоколами прикладного уровня часть функций сессионного

уровня и уровня представления может оказаться избыточной поэтому при

программной реализации три верхних уровня обычно объединяются

Page 38: - 3 - ВВЕДЕНИЕicm.muctr.ru/study/computers/inf001.pdf · 2016-08-25 · - 7 - А) Количество информации как мера уменьшения неопределенности

- 40 -

Протокол IP

Протокол IP (Internet Protocol) входит в состав стека протоколов TCPIP и

является основным протоколом сетевого уровня использующимся в

Интернет и обеспечивающим единую схему логической адресации устройств

в сети и маршрутизацию данных

Для выполнения своих функций протокол определяет свой собственный

формат пакета Основными информационными полями заголовка пакета

являются

IP-адреса отправителя и получателя ndash предназначены для

идентификации отправителя и получателя (см IP-адресация)

Время жизни пакета (Time To Live TTL) - определяет время которое

IP-пакет может находиться в сети и предназначено для

предотвращения захламления сети заблудившимися пакетами

поля предназначенные для фрагментации пакетов (см IP-

фрагментация)

поля предназначенные для управления обработкой пакета (длина

пакета и заголовка контрольная сумма заголовка тип обслуживания и

тд)

Существует 5 классов IP-адресов ndash A B C D E Принадлежность IP-

адреса к тому или иному классу определяется значением первого

октета (W) Ниже показано соответствие значений первого октета и

классов адресов

Класс IP-адреса A B C D E

Диапазон первого

октета

1-

126

128-

191

192-

223

224-

239

240-

247

IP-адреса первых трех классов предназначены для адресации

отдельных узлов и отдельных сетей Такие адреса состоят из двух

частей ndash номера сети и номера узла Такая схема аналогична схеме

почтовых индексов ndash первые три цифры кодируют регион а остальные

ndash почтовое отделение внутри региона

Преимущества двухуровневой схемы очевидны она позволяет во-

первых адресовать целиком отдельные сети внутри составной сети

что необходимо для обеспечения маршрутизации а во-вторых ndash

присваивать узлам номера внутри одной сети независимо от других

сетей Естественно что компьютеры входящие в одну и ту же сеть

должны иметь IP-адреса с одинаковым номером сети

- 41 -

IP-Маршрутизация ndash процесс выбора пути для передачи пакета в сети Под

путем (маршрутом) понимается последовательность маршрутизаторов через

которые проходит пакет по пути к узлу-назначению IP-маршрутизатор ndash это

специальное устройство предназначенное для объединения сетей и

обеспечивающее определение пути прохождения пакетов в составной сети

Маршрутизатор должен иметь несколько IP-адресов с номерами сетей

соответствующими номерам объединяемых сетей

Как известно для разных сетевых технологий значение MTU определенное

для кадров данных может отличаться Поэтому при преобразовании кадров

на маршрутизаторе может потребоваться разделение вложенных в них IP-

пакетов на более мелкие пакеты

Для разделения пакетов на фрагменты модуль IP установленный на

маршрутизаторе создает на его основе некоторое число новых пакетов (в

соответствии с длиной исходного пакета и значения MTU для сети куда

должны быть переданы данные) Для того чтобы данные могли быть

правильно собраны получателем в заголовки новых IP-пакетов помещается

специальный числовой идентификатор позволяющий однозначно

определить что эти пакеты являются фрагментами одного большого пакета

Кроме того в заголовках также указывается положения фрагментов в

исходном пакете что позволяет обеспечить правильный порядок сборки

получателем

Вспомогательные протоколы сетевого уровня стека TCPIP

Главными функциями протокола IP является обеспечение единой схемы

адресации независимой от принципов адресации определяемых сетевыми

технологиями (адресацией канального уровня) а также передача данных по

составной сети (маршрутизация и фрагментация пакетов) Однако для

организации реального взаимодействия этого оказывается недостаточно -

существует еще ряд проблем

Первая проблема состоит в следующем Для того чтобы передать данные по

сети программное обеспечение протокола IP создает пакет и передает его

средствам канального уровня При этом средствам канального уровня для

формирования кадра данных необходим адрес получателя причем не

логический IP-адрес а MAC-адрес который может быть правильно опознан

сетевым адаптером принимающего компьютера Однако спецификацией

протокола IP не предусмотрен механизм позволяющий определять

соответствие между аппаратными и IP-адресами Эту функцию выполняет

вспомогательный протокол сетевого уровня ARP (Address Resolution

Protocol) входящий в семейство протоколов TCPIP

- 42 -

Другая серьезная проблема состоит в том что если при обработке IP-пакета

на маршрутизаторе возникли какие-то проблемы например истекло время

жизни пакета то отправитель о них не узнает поскольку механизм

обратной связи также не предусмотрен спецификацией протокола IP Для

решения этой проблемы используется специальный протокол сетевого

уровня ICMP (Internet Control Message Protocol) входящий в стек протоколов

TCPIP и обеспечивающий передачу управляющей информации и

информации об ошибках

В семействе протоколов TCPIP предусмотрен также ряд других

вспомогательных протоколов например протоколы динамической

маршрутизации обеспечивающие обмен информацией между

маршрутизаторами с целью автоматизации построения таблиц

маршрутизации

Транспортный уровень

Функции транспортного уровня

Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных между

устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд)

Однако не следует забывать что на одном узле может функционировать

параллельно несколько программ которым требуется доступ к сети

Следовательно данные внутри компьютерной системы должны

распределяться между программами Поэтому при передаче данных по сети

недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо также

идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является

отсутствие средств позволяющих передавать большие массивы данных

Когда исходные данные превышают максимально допустимый размер пакета

сетевого уровня то эти данные должны быть разбиты на порции каждая из

которых передается в сеть отдельным пакетом Однако каждый пакет

сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других блок

данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и

следовательно ndash обнаружить нарушение целостности общего массива

данных Поэтому средства транспортного уровня обеспечивают отсутствие

потерь информации Такой режим передачи данных получил название

гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой

- 43 -

функциональную надстройку над сетевым уровнем и решают две основных

задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

обеспечение гарантированной доставки массивов данных

произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash

UDP обеспечивающий негарантированную доставку данных между

программами и TCP обеспечивающий гарантированную доставку с

установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной

уровень

Компоненты четырех нижних уровней модели OSI (физического канального

сетевого и транспортного) представляют собой механизм обеспечивающий

доставку данных любого типа и произвольного объема между программами

работающими на разных узлах составной сети Однако при работе в сети

пользователям требуется не просто пересылка данных а выполнение каких-

либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех

возможностей которые предоставляют средства нижних уровней

недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо

просмотреть документ расположенный не на его локальном компьютере а

на удаленной машине Решение такой задачи предполагает как минимум

прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса

содержащего имя документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного

компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной

машины изменений вносимых в этот документ другими пользователями и

уведомление об этом пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав

пользователя на работу с документом что предполагает дополнительный

- 44 -

обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних

уровней не имеют средств позволяющих реализовать специфику такого

взаимодействия Поэтому для его организации требуются дополнительные

надстройки над средствами транспортного и нижележащих уровней В

эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный уровень

уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или

сессии) при длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое

(виртуальное) соединение между двумя программами в общем случае

функционирующими на разных компьютерах В простейшем случае

установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти

необходимых для приема и передачи данных После окончания передачи

данных происходит закрытие соединения предполагающее освобождение

выделенных ресурсов Во многих случаях этого недостаточно поэтому

сессионный уровень предлагает более сложные механизмы для организации

сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая

поддержка осуществляется путем периодической отправки специальных

тестовых пакетов при получении которых участник соединения должен

ответить Возвращаясь к предложенному выше примеру следует отметить

что установление соединения при работе с удаленным документом позволяет

один раз перед началом работы проверить права доступа пользователя а

также один раз передать запрос с именем файла В случае если бы

соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог

бы уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться

дополнительное преобразование Например это необходимо в случае если

взаимодействующие программы используют различные способы кодировки

текстовой информации или если для обеспечения защиты информации

требуется осуществлять шифрование данных Обеспечение подобных

промежуточных преобразований возложено на уровень представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными

уровнями Они позволяют осуществлять работу с различными

информационными ресурсами сети например файлами или сообщениями

электронной почты Естественно что различные типы ресурсов в общем

случае требуют различных методов обработки и в том числе методов

сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI

- 45 -

является прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции

работы с конкретными информационными объектами В предложенном выше

примере (чтение удаленного документа) к функциям прикладного протокола

относятся формирование запросов на получение документа проверка прав

доступа а также определение порядка пересылки файлов и уведомлений об

изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами

определяемых протоколами прикладного уровня часть функций сессионного

уровня и уровня представления может оказаться избыточной поэтому при

программной реализации три верхних уровня обычно объединяются

Page 39: - 3 - ВВЕДЕНИЕicm.muctr.ru/study/computers/inf001.pdf · 2016-08-25 · - 7 - А) Количество информации как мера уменьшения неопределенности

- 41 -

IP-Маршрутизация ndash процесс выбора пути для передачи пакета в сети Под

путем (маршрутом) понимается последовательность маршрутизаторов через

которые проходит пакет по пути к узлу-назначению IP-маршрутизатор ndash это

специальное устройство предназначенное для объединения сетей и

обеспечивающее определение пути прохождения пакетов в составной сети

Маршрутизатор должен иметь несколько IP-адресов с номерами сетей

соответствующими номерам объединяемых сетей

Как известно для разных сетевых технологий значение MTU определенное

для кадров данных может отличаться Поэтому при преобразовании кадров

на маршрутизаторе может потребоваться разделение вложенных в них IP-

пакетов на более мелкие пакеты

Для разделения пакетов на фрагменты модуль IP установленный на

маршрутизаторе создает на его основе некоторое число новых пакетов (в

соответствии с длиной исходного пакета и значения MTU для сети куда

должны быть переданы данные) Для того чтобы данные могли быть

правильно собраны получателем в заголовки новых IP-пакетов помещается

специальный числовой идентификатор позволяющий однозначно

определить что эти пакеты являются фрагментами одного большого пакета

Кроме того в заголовках также указывается положения фрагментов в

исходном пакете что позволяет обеспечить правильный порядок сборки

получателем

Вспомогательные протоколы сетевого уровня стека TCPIP

Главными функциями протокола IP является обеспечение единой схемы

адресации независимой от принципов адресации определяемых сетевыми

технологиями (адресацией канального уровня) а также передача данных по

составной сети (маршрутизация и фрагментация пакетов) Однако для

организации реального взаимодействия этого оказывается недостаточно -

существует еще ряд проблем

Первая проблема состоит в следующем Для того чтобы передать данные по

сети программное обеспечение протокола IP создает пакет и передает его

средствам канального уровня При этом средствам канального уровня для

формирования кадра данных необходим адрес получателя причем не

логический IP-адрес а MAC-адрес который может быть правильно опознан

сетевым адаптером принимающего компьютера Однако спецификацией

протокола IP не предусмотрен механизм позволяющий определять

соответствие между аппаратными и IP-адресами Эту функцию выполняет

вспомогательный протокол сетевого уровня ARP (Address Resolution

Protocol) входящий в семейство протоколов TCPIP

- 42 -

Другая серьезная проблема состоит в том что если при обработке IP-пакета

на маршрутизаторе возникли какие-то проблемы например истекло время

жизни пакета то отправитель о них не узнает поскольку механизм

обратной связи также не предусмотрен спецификацией протокола IP Для

решения этой проблемы используется специальный протокол сетевого

уровня ICMP (Internet Control Message Protocol) входящий в стек протоколов

TCPIP и обеспечивающий передачу управляющей информации и

информации об ошибках

В семействе протоколов TCPIP предусмотрен также ряд других

вспомогательных протоколов например протоколы динамической

маршрутизации обеспечивающие обмен информацией между

маршрутизаторами с целью автоматизации построения таблиц

маршрутизации

Транспортный уровень

Функции транспортного уровня

Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных между

устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд)

Однако не следует забывать что на одном узле может функционировать

параллельно несколько программ которым требуется доступ к сети

Следовательно данные внутри компьютерной системы должны

распределяться между программами Поэтому при передаче данных по сети

недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо также

идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является

отсутствие средств позволяющих передавать большие массивы данных

Когда исходные данные превышают максимально допустимый размер пакета

сетевого уровня то эти данные должны быть разбиты на порции каждая из

которых передается в сеть отдельным пакетом Однако каждый пакет

сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других блок

данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и

следовательно ndash обнаружить нарушение целостности общего массива

данных Поэтому средства транспортного уровня обеспечивают отсутствие

потерь информации Такой режим передачи данных получил название

гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой

- 43 -

функциональную надстройку над сетевым уровнем и решают две основных

задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

обеспечение гарантированной доставки массивов данных

произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash

UDP обеспечивающий негарантированную доставку данных между

программами и TCP обеспечивающий гарантированную доставку с

установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной

уровень

Компоненты четырех нижних уровней модели OSI (физического канального

сетевого и транспортного) представляют собой механизм обеспечивающий

доставку данных любого типа и произвольного объема между программами

работающими на разных узлах составной сети Однако при работе в сети

пользователям требуется не просто пересылка данных а выполнение каких-

либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех

возможностей которые предоставляют средства нижних уровней

недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо

просмотреть документ расположенный не на его локальном компьютере а

на удаленной машине Решение такой задачи предполагает как минимум

прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса

содержащего имя документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного

компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной

машины изменений вносимых в этот документ другими пользователями и

уведомление об этом пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав

пользователя на работу с документом что предполагает дополнительный

- 44 -

обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних

уровней не имеют средств позволяющих реализовать специфику такого

взаимодействия Поэтому для его организации требуются дополнительные

надстройки над средствами транспортного и нижележащих уровней В

эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный уровень

уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или

сессии) при длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое

(виртуальное) соединение между двумя программами в общем случае

функционирующими на разных компьютерах В простейшем случае

установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти

необходимых для приема и передачи данных После окончания передачи

данных происходит закрытие соединения предполагающее освобождение

выделенных ресурсов Во многих случаях этого недостаточно поэтому

сессионный уровень предлагает более сложные механизмы для организации

сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая

поддержка осуществляется путем периодической отправки специальных

тестовых пакетов при получении которых участник соединения должен

ответить Возвращаясь к предложенному выше примеру следует отметить

что установление соединения при работе с удаленным документом позволяет

один раз перед началом работы проверить права доступа пользователя а

также один раз передать запрос с именем файла В случае если бы

соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог

бы уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться

дополнительное преобразование Например это необходимо в случае если

взаимодействующие программы используют различные способы кодировки

текстовой информации или если для обеспечения защиты информации

требуется осуществлять шифрование данных Обеспечение подобных

промежуточных преобразований возложено на уровень представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными

уровнями Они позволяют осуществлять работу с различными

информационными ресурсами сети например файлами или сообщениями

электронной почты Естественно что различные типы ресурсов в общем

случае требуют различных методов обработки и в том числе методов

сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI

- 45 -

является прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции

работы с конкретными информационными объектами В предложенном выше

примере (чтение удаленного документа) к функциям прикладного протокола

относятся формирование запросов на получение документа проверка прав

доступа а также определение порядка пересылки файлов и уведомлений об

изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами

определяемых протоколами прикладного уровня часть функций сессионного

уровня и уровня представления может оказаться избыточной поэтому при

программной реализации три верхних уровня обычно объединяются

Page 40: - 3 - ВВЕДЕНИЕicm.muctr.ru/study/computers/inf001.pdf · 2016-08-25 · - 7 - А) Количество информации как мера уменьшения неопределенности

- 42 -

Другая серьезная проблема состоит в том что если при обработке IP-пакета

на маршрутизаторе возникли какие-то проблемы например истекло время

жизни пакета то отправитель о них не узнает поскольку механизм

обратной связи также не предусмотрен спецификацией протокола IP Для

решения этой проблемы используется специальный протокол сетевого

уровня ICMP (Internet Control Message Protocol) входящий в стек протоколов

TCPIP и обеспечивающий передачу управляющей информации и

информации об ошибках

В семействе протоколов TCPIP предусмотрен также ряд других

вспомогательных протоколов например протоколы динамической

маршрутизации обеспечивающие обмен информацией между

маршрутизаторами с целью автоматизации построения таблиц

маршрутизации

Транспортный уровень

Функции транспортного уровня

Средства сетевого уровня обеспечивают доставку данных между

устройствами в составной сети (компьютерами маршрутизаторами и тд)

Однако не следует забывать что на одном узле может функционировать

параллельно несколько программ которым требуется доступ к сети

Следовательно данные внутри компьютерной системы должны

распределяться между программами Поэтому при передаче данных по сети

недостаточно просто адресовать конкретный узел Необходимо также

идентифицировать программу-получателя что невозможно осуществить

средствами сетевого уровня

Другой серьезной проблемой протоколов сетевого уровня является

отсутствие средств позволяющих передавать большие массивы данных

Когда исходные данные превышают максимально допустимый размер пакета

сетевого уровня то эти данные должны быть разбиты на порции каждая из

которых передается в сеть отдельным пакетом Однако каждый пакет

сетевого уровня передается по сети как единый независимый от других блок

данных В случае если какие-либо пакеты потерялись то модуль сетевого

протокола на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю и

следовательно ndash обнаружить нарушение целостности общего массива

данных Поэтому средства транспортного уровня обеспечивают отсутствие

потерь информации Такой режим передачи данных получил название

гарантированной доставки

Таким образом средства транспортного уровня представляют собой

- 43 -

функциональную надстройку над сетевым уровнем и решают две основных

задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

обеспечение гарантированной доставки массивов данных

произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash

UDP обеспечивающий негарантированную доставку данных между

программами и TCP обеспечивающий гарантированную доставку с

установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной

уровень

Компоненты четырех нижних уровней модели OSI (физического канального

сетевого и транспортного) представляют собой механизм обеспечивающий

доставку данных любого типа и произвольного объема между программами

работающими на разных узлах составной сети Однако при работе в сети

пользователям требуется не просто пересылка данных а выполнение каких-

либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех

возможностей которые предоставляют средства нижних уровней

недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо

просмотреть документ расположенный не на его локальном компьютере а

на удаленной машине Решение такой задачи предполагает как минимум

прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса

содержащего имя документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного

компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной

машины изменений вносимых в этот документ другими пользователями и

уведомление об этом пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав

пользователя на работу с документом что предполагает дополнительный

- 44 -

обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних

уровней не имеют средств позволяющих реализовать специфику такого

взаимодействия Поэтому для его организации требуются дополнительные

надстройки над средствами транспортного и нижележащих уровней В

эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный уровень

уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или

сессии) при длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое

(виртуальное) соединение между двумя программами в общем случае

функционирующими на разных компьютерах В простейшем случае

установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти

необходимых для приема и передачи данных После окончания передачи

данных происходит закрытие соединения предполагающее освобождение

выделенных ресурсов Во многих случаях этого недостаточно поэтому

сессионный уровень предлагает более сложные механизмы для организации

сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая

поддержка осуществляется путем периодической отправки специальных

тестовых пакетов при получении которых участник соединения должен

ответить Возвращаясь к предложенному выше примеру следует отметить

что установление соединения при работе с удаленным документом позволяет

один раз перед началом работы проверить права доступа пользователя а

также один раз передать запрос с именем файла В случае если бы

соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог

бы уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться

дополнительное преобразование Например это необходимо в случае если

взаимодействующие программы используют различные способы кодировки

текстовой информации или если для обеспечения защиты информации

требуется осуществлять шифрование данных Обеспечение подобных

промежуточных преобразований возложено на уровень представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными

уровнями Они позволяют осуществлять работу с различными

информационными ресурсами сети например файлами или сообщениями

электронной почты Естественно что различные типы ресурсов в общем

случае требуют различных методов обработки и в том числе методов

сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI

- 45 -

является прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции

работы с конкретными информационными объектами В предложенном выше

примере (чтение удаленного документа) к функциям прикладного протокола

относятся формирование запросов на получение документа проверка прав

доступа а также определение порядка пересылки файлов и уведомлений об

изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами

определяемых протоколами прикладного уровня часть функций сессионного

уровня и уровня представления может оказаться избыточной поэтому при

программной реализации три верхних уровня обычно объединяются

Page 41: - 3 - ВВЕДЕНИЕicm.muctr.ru/study/computers/inf001.pdf · 2016-08-25 · - 7 - А) Количество информации как мера уменьшения неопределенности

- 43 -

функциональную надстройку над сетевым уровнем и решают две основных

задачи

обеспечение доставки данных между конкретными программами

функционирующими в общем случае на разных узлах сети

обеспечение гарантированной доставки массивов данных

произвольного размера

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола ndash

UDP обеспечивающий негарантированную доставку данных между

программами и TCP обеспечивающий гарантированную доставку с

установлением виртуального соединения

Сессионный уровень уровень представления прикладной

уровень

Компоненты четырех нижних уровней модели OSI (физического канального

сетевого и транспортного) представляют собой механизм обеспечивающий

доставку данных любого типа и произвольного объема между программами

работающими на разных узлах составной сети Однако при работе в сети

пользователям требуется не просто пересылка данных а выполнение каких-

либо операций с различными информационными объектами например

файлами папками почтовыми сообщениями и тп Естественно что тех

возможностей которые предоставляют средства нижних уровней

недостаточно

Для примера рассмотрим ситуацию когда пользователю необходимо

просмотреть документ расположенный не на его локальном компьютере а

на удаленной машине Решение такой задачи предполагает как минимум

прохождение следующих этапов

1 Формирование и передача с компьютера пользователя запроса

содержащего имя документа

2 Обработка запроса поиск и пересылка файла документа с удаленного

компьютера

3 Отслеживание в процессе работы программным обеспечением удаленной

машины изменений вносимых в этот документ другими пользователями и

уведомление об этом пользователя

Кроме того эти действия могут предваряться этапом проверки прав

пользователя на работу с документом что предполагает дополнительный

- 44 -

обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних

уровней не имеют средств позволяющих реализовать специфику такого

взаимодействия Поэтому для его организации требуются дополнительные

надстройки над средствами транспортного и нижележащих уровней В

эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный уровень

уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или

сессии) при длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое

(виртуальное) соединение между двумя программами в общем случае

функционирующими на разных компьютерах В простейшем случае

установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти

необходимых для приема и передачи данных После окончания передачи

данных происходит закрытие соединения предполагающее освобождение

выделенных ресурсов Во многих случаях этого недостаточно поэтому

сессионный уровень предлагает более сложные механизмы для организации

сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая

поддержка осуществляется путем периодической отправки специальных

тестовых пакетов при получении которых участник соединения должен

ответить Возвращаясь к предложенному выше примеру следует отметить

что установление соединения при работе с удаленным документом позволяет

один раз перед началом работы проверить права доступа пользователя а

также один раз передать запрос с именем файла В случае если бы

соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог

бы уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться

дополнительное преобразование Например это необходимо в случае если

взаимодействующие программы используют различные способы кодировки

текстовой информации или если для обеспечения защиты информации

требуется осуществлять шифрование данных Обеспечение подобных

промежуточных преобразований возложено на уровень представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными

уровнями Они позволяют осуществлять работу с различными

информационными ресурсами сети например файлами или сообщениями

электронной почты Естественно что различные типы ресурсов в общем

случае требуют различных методов обработки и в том числе методов

сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI

- 45 -

является прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции

работы с конкретными информационными объектами В предложенном выше

примере (чтение удаленного документа) к функциям прикладного протокола

относятся формирование запросов на получение документа проверка прав

доступа а также определение порядка пересылки файлов и уведомлений об

изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами

определяемых протоколами прикладного уровня часть функций сессионного

уровня и уровня представления может оказаться избыточной поэтому при

программной реализации три верхних уровня обычно объединяются

Page 42: - 3 - ВВЕДЕНИЕicm.muctr.ru/study/computers/inf001.pdf · 2016-08-25 · - 7 - А) Количество информации как мера уменьшения неопределенности

- 44 -

обмен информацией

Предоставляя общие методы пересылки данных компоненты нижних

уровней не имеют средств позволяющих реализовать специфику такого

взаимодействия Поэтому для его организации требуются дополнительные

надстройки над средствами транспортного и нижележащих уровней В

эталонной модели OSI предусмотрены три уровня сессионный уровень

уровень представления и прикладной уровень Каждый из этих уровней

выполняет определенные функции

Сессионный уровень обеспечивает установление и поддержку сеанса (или

сессии) при длительном взаимодействии Сеанс ndash это логическое

(виртуальное) соединение между двумя программами в общем случае

функционирующими на разных компьютерах В простейшем случае

установление виртуального соединения подразумевает согласование

параметров обмена и выделение ресурсов например блоков памяти

необходимых для приема и передачи данных После окончания передачи

данных происходит закрытие соединения предполагающее освобождение

выделенных ресурсов Во многих случаях этого недостаточно поэтому

сессионный уровень предлагает более сложные механизмы для организации

сеансов Наиболее важным является механизм длительной поддержки

соединения в период когда активного обмена данными не происходит Такая

поддержка осуществляется путем периодической отправки специальных

тестовых пакетов при получении которых участник соединения должен

ответить Возвращаясь к предложенному выше примеру следует отметить

что установление соединения при работе с удаленным документом позволяет

один раз перед началом работы проверить права доступа пользователя а

также один раз передать запрос с именем файла В случае если бы

соединение не устанавливалось то эти данные приходилось бы передавать в

каждом пакете направляемом в сеть и кроме того владелец ресурса не смог

бы уведомлять читателя о произошедших во время работы изменениях

В некоторых случаях при передаче данных по сети может потребоваться

дополнительное преобразование Например это необходимо в случае если

взаимодействующие программы используют различные способы кодировки

текстовой информации или если для обеспечения защиты информации

требуется осуществлять шифрование данных Обеспечение подобных

промежуточных преобразований возложено на уровень представления

Все рассмотренные уровни модели OSI по сути являются сервисными

уровнями Они позволяют осуществлять работу с различными

информационными ресурсами сети например файлами или сообщениями

электронной почты Естественно что различные типы ресурсов в общем

случае требуют различных методов обработки и в том числе методов

сетевого взаимодействия Поэтому самым верхним уровнем модели OSI

- 45 -

является прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции

работы с конкретными информационными объектами В предложенном выше

примере (чтение удаленного документа) к функциям прикладного протокола

относятся формирование запросов на получение документа проверка прав

доступа а также определение порядка пересылки файлов и уведомлений об

изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами

определяемых протоколами прикладного уровня часть функций сессионного

уровня и уровня представления может оказаться избыточной поэтому при

программной реализации три верхних уровня обычно объединяются

Page 43: - 3 - ВВЕДЕНИЕicm.muctr.ru/study/computers/inf001.pdf · 2016-08-25 · - 7 - А) Количество информации как мера уменьшения неопределенности

- 45 -

является прикладной уровень который обеспечивает сетевые функции

работы с конкретными информационными объектами В предложенном выше

примере (чтение удаленного документа) к функциям прикладного протокола

относятся формирование запросов на получение документа проверка прав

доступа а также определение порядка пересылки файлов и уведомлений об

изменении документа

Следует отметить что для методов работы с теми или иными ресурсами

определяемых протоколами прикладного уровня часть функций сессионного

уровня и уровня представления может оказаться избыточной поэтому при

программной реализации три верхних уровня обычно объединяются