Теория построения сетей

Прежде чем перейти к подробному описанию организации компьютерных сетей, следует рассмотреть некоторые общие положения. Выясним, какие задачи необходимо решить человеку, перед которым встала задача организации сети передачи данных между компьютерами.

1. Определение типа носителя данных, то есть среды передачи данных. Передача может вестись по медным проводам различных типов, по оптоволокну, по радиоволнам, или, например, при помощи голубиной почты --- как предлагает один юмористический стандарт. Чем больше размер сети, тем больше вероятность того, что в ней используется различные типы носителей данных.

Предположим для определенности, что данные в сети передаются по кабелю с четырьмя проводам. Тогда необходимо также выяснить, как выглядит этот носитель, какие его физические характеристики, какие провода используются для передачи, а какие --- для приема данных, и как выглядит представление двоичных данных в носителе. Кроме того, нужно отличать факт передачи от отсутствия передачи: допустим, наличие напряжения --- есть данные (+5 вольт --- единица, -5 вольт --- ноль), отсутствие напряжения --- нет данных.

Но до тех пор, пока носитель не подключен к компьютеру, мы все равно не можем организовать передачу данных. Поэтому следующая проблема --- организация интерфейса.

2. Интерфейс между компьютером и средой передачи данных обеспечивается сетевой картой, часто интегрированной в материнскую плату компьютера. После создания адаптера, преобразующего электрический сигнал в среде передач данных в передаваемые на системную шину данные и наоборот, уже можно обмениваться данными между двумя компьютерами. Но изначально планировалось обеспечить доступ к среде передачи данных для множества машин, а не только двух. Для решения этой проблемы надо разработать дисциплину доступа нескольких компьютеров к общей среде передачи данных. Даже если к среде подключены только два компьютера, то всё равно надо договориться, например, о том, как выглядит отсутствие данных (как абонент поймет, что сейчас передача не идет), и как определяется начало передачи. Например, для начала передачи можно использовать некие последовательности из нулей и единиц. Когда же компьютеров несколько, то надо точно указывать адресата передаваемых данных. Также дисциплина должна обеспечивать одновременную (или псевдо-одновременную) передачу данных от нескольких компьютеров друг другу.

Однако и после решения этих проблем задача объединения большого количества компьютеров в одну вычислительную сеть еще не решена. Мы решили задачу объединения лишь небольшого числа компьютеров в рамках одной среды, внутри которой каждый компьютер может непосредственно связаться с каждым, или, другими словами, каждый виден другому. Как только появится несколько таких сред передачи данных, то мы вернемся к первой из описываемых нами проблем, а именно: придется снова налаживать передачу между абонентами этих сред. Для этого необходимо всех подключенных абонентов проидентифицировать.

3. Класс задач уровня организации сети содержит две задачи.

• Идентификация всех компьютеров сети, например, присвоение им уникального номера.
• Объединение разных сред передачи данных. Когда сетей много, в каждой все подключенные устройства пронумерованы, и возникает задача передача информации от компьютера одной сети компьютеру другой, то, очевидно, что данные будут переброшены через несколько сред передачи. В частности, на пути будут несколько устройств, которые и занимаются передачей из одной среды в другую. Такие устройства в ряде случаев называются маршрутизаторами, а данная задача называется задачей маршрутизации.

Фактически, после решения указанных проблем возможен обмен информацией в больших сетях и между ними, но целостность передаваемой информации и безопасность обмена все еще не обеспечена. У нас есть способ связаться между любыми двумя машинами, мы это делаем, но мы не проверяем, насколько качественно происходит передача. Можно сказать, что речь идет о работе с каналом передачи данных. То есть фактически мы забываем, что у нас есть какой-то маршрут и компьютеры перекидывают друг другу массивы данных, и представляем себе канал, открытый между отправителем и получателем. Соответственно, следующей проблемой является обеспечение гарантии доставки.

4. Контроль за доставкой информации. Способов нарушить сохранность данных немного: данные можно либо изменить при передаче, т.е. испортить, либо вообще потерять, т.е. адресат их не получит. Есть и такой изощренный способ, когда вы отправляете один массив данных, а приходит два. Такое случается, когда какое-либо устройство послало данные, а ему вдруг пришло сообщение об ошибке и оно отправило их еще раз, а на самом деле ошибки не случилось. Потому в задачу контроля качества доставки (QoS --- Quality of Service) входят следующие компоненты.

• Доставка в целости и сохранности (security & integrity). Данные должны быть защищены от случайных изменений при передаче, а так же, желательно, от преднамеренных изменений и от просмотра третьими лицами. Сюда также входят такие компоненты, как обязательное оповещение отправителя об успешной доставке или наоборот, запрос на повторную посылку в случае неудачи.

• Отслеживание состояния канала передачи данных. Приведем пример ситуации, когда это жизненно важно: пусть отправитель подключен в сеть через очень быстрый интерфейс и извергает гигабитный поток данных, а на стороне получателя находится обычный модем. Было бы неплохо не только сообщать отправителю, его данные никуда не пришли и произошла ошибка по дороге, но еще и отслеживать параметры качества этого виртуального канала, организованного между двумя компьютерами, и регулировать скорость передачи данных соответствующим образом.
• Управление потоками данных (идентификация разных потоков и предотвращение их смешивания). Между двумя компьютерами могут передаваться несколько независимых потоков данных: например, программа-броузер загружает параллельно несколько изображений на одной странице. Эта задача решается при пакетной передаче данных. Если в потоке есть несколько элементов (пакетов), которые передаются от одного компьютера другому, то каждый пакет содержит информацию о том, к какому потоку он сам относится.

5. Интерпретация полученных при передаче данных является последней задачей. Обмен данными не является самоцелью, а принятые данные обычно имеют свою собственную семантику: это может быть электронное письмо или веб-страница. За эту задачу отвечает соответствующая прикладная программа.

Сведения о ресурсах