Комп'ютерні технології

1. Які основні типи топологій  в мережах? Характеристики мережі з топологією «шина».

Під топологією (компонуванням, конфігурацією, структурою) комп’ютерної мережі звичайно розуміється  фізичне розташування комп’ютерів  мережі друг щодо друга й спосіб з’єднання їхніми лініями зв’язку. Важливо відзначити, що поняття топології ставиться, насамперед, до локальних мереж, у яких структуру зв’язків можна легко простежити. У глобальних мережах структура зв’язків звичайно схована від користувачів не занадто важлива, тому що кожний сеанс зв’язку може виконуватися по своєму власному шляху.

Топологія визначає вимоги до устаткування, тип  використовуваного кабелю, можливі  й найбільш зручні методи керування  обміном, надійність роботи, можливості розширення мережі.

Існує три основних топології мережі:

1. шина (bus), при якій всі комп’ютери паралельно підключаються до однієї лінії зв’язку й інформація від кожного комп’ютера одночасно передається всім іншим комп’ютерам (рис. 1);
2. зірка (star), при якій до одного центрального комп’ютера приєднуються інші периферійні комп’ютери, причому кожний з них використовує свою окрему лінію зв’язку (рис. 2);
3. кільце (ring), при якій кожний комп’ютер передає інформацію завжди тільки одному комп’ютеру, наступному в ланцюжку, а одержує інформацію тільки від попереднього комп’ютера в ланцюжку, і цей ланцюжок замкнутий в «кільце» (рис. 3).

На практиці нерідко використовують і комбінації базових топологій, але більшість  мереж орієнтовані саме на ці три. Розглянемо тепер коротко особливості перерахованих мережних топологій.

Топологія «шина» (або, як її ще називають, «загальна шина») самою своєю структурою припускає ідентичність мережного устаткування комп’ютерів, а також рівноправність всіх абонентів. При такому з’єднанні комп’ютери можуть передавати тільки по черзі, тому що лінія зв’язку єдина. У противному випадку передана інформація буде спотворюватися в результаті накладення (конфлікту, колізії). Таким чином, у шині реалізується режим напівдуплексного (half duplex) обміну (в обох напрямках, але по черзі, а не одночасно).

У топології  «шина» відсутній центральний абонент, через який передається вся інформація, що збільшує її надійність (адже при  відмові будь-якого центра перестає функціонувати вся керована цим  центром система). Додавання нових абонентів у шину досить просте й звичайно можливе навіть під час роботи мережі. У більшості випадків при використанні шини потрібна мінімальна кількість сполучного кабелю в порівнянні з іншими топологіями. Правда, треба врахувати, що до кожного комп’ютера (крім двох крайніх) підходить два кабелі, що не завжди зручно.

Тому  що дозвіл можливих конфліктів у цьому  випадку лягає на мережне устаткування кожного окремого абонента, апаратура  мережного адаптера при топології  «шина» виходить складніше, ніж при інших топологіях. Однак через широке поширення мереж з топологією «шина» (Ethernet, Arcnet) вартість мережного устаткування виходить не занадто високою.

Шині  не страшні відмови окремих комп’ютерів, тому що всі інші комп’ютери мережі можуть нормально продовжувати обмін. Може здатися, що шині не страшний і обрив кабелю, оскільки в цьому випадку ми одержимо дві цілком працездатні шини. Однак через особливості поширення електричних сигналів по довгих лініях зв’язку необхідно передбачати включення на кінцях шини спеціальних пристроїв – термінаторів, показаних на рис. 1 у вигляді прямокутників. Без включення термінаторів сигнал відбивається від кінця лінії й спотворюється так, що зв’язок по мережі стає неможливою. Так що при розриві або ушкодженні кабелю порушується узгодження лінії зв’язку, і припиняється обмін навіть між тими комп’ютерами, які залишилися з’єднаними між собою. Коротке замикання в будь-якій крапці кабелю шини виводить із ладу всю мережу. Будь-яка відмова мережного устаткування в шині дуже важко локалізувати, тому що всі адаптери включені паралельно, і зрозуміти, який з них вийшов з ладу, не так-те просто.

При проходженні  по лінії зв’язку мережі з топологією «шина» інформаційні сигнали послабляються  й ніяк не відновлюються, що накладає тверді обмеження на сумарну довжину ліній зв’язку, крім того, кожний абонент може одержувати з мережі сигнали різного рівня залежно від відстані до передавального абонента. Це висуває додаткові вимоги до прийомних вузлів мережного устаткування. Для збільшення довжини мережі з топологією «шина» часто використовують кілька сегментів (кожний з яких являє собою шину), з’єднаних між собою за допомогою спеціальних відновлювачів сигналів - репітерів.

Однак таке нарощування довжини мережі не може тривати нескінченно, тому що існують ще й обмеження, пов’язані з кінцевою швидкістю поширення сигналів по лініях зв’язку. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Призначення моделі OSI та характеристика її рівнів.

На початку 80-х років ряд міжнародних організацій  по стандартизації IS0, ITU-T і деякі інші розробили модель, яка зіграла значну роль в розвитку мереж. Ця модель називається моделлю взаємодії відкритих систем (Open System Interconnection, OSI) або моделлю OSI. Модель OSI визначає різні рівні взаємодії систем, дає їм стандартні імена і вказує, які функції повинен виконувати кожний рівень. Модель OSI була розроблена на основі великого досвіду, отриманого при створенні комп'ютерних мереж, в основному глобальних, у 70-ті роки. Повний опис цієї моделі займає більше за 1000 сторінок тексту.

Ця модель містить у собі по суті дві різних моделі: горизонтальну модель на базі протоколів, що забезпечує механізм взаємодії  програм і процесів на різних машинах; вертикальну модель на основі послуг, що забезпечуються сусідніми рівнями  один одному на одній машині. 

У горизонтальній моделі 2-ом програмам потрібен загальний  протокол для обміну даними. У вертикальній моделі сусідні рівні обмінюються  даними з використанням інтерфейсів API.

Фізичний  рівень (Physical layer) має справу з передачею бітів по фізичних каналах зв'язку, таких, наприклад, як коаксіальний кабель, вита пара, оптоволоконний кабель або цифровий територіальний канал. До цього рівня мають відношення характеристики фізичних середовищ передачі даних, такі як смуга пропускання, перешкодозахищеність, хвильовий опір і інші. На цьому ж рівні визначаються характеристики електричних сигналів, що передають дискретну інформацію, наприклад, крутість фронтів імпульсів, рівні напруження або струму сигналу, тип кодування, швидкість передачі сигналів. Крім цього, тут стандартизуються типи роз'ємів і призначення кожного контакту.

Функції фізичного рівня реалізуються у  всіх пристроях, підключених до мережі. З боку комп'ютера функції фізичного  рівня виконуються мережевим  адаптером або послідовним портом.

На фізичному  рівні просто пересилаються біти. При цьому не враховується, що в  деяких мережах, в яких лінії зв'язку використовуються (розділяються) поперемінно  декількома парами взаємодіючих комп'ютерів, фізичне середовище передачі може бути зайняте. Тому однією із задач канального рівня (Data Link layer) є перевірка доступності середовища передачі. Іншою задачею канального рівня є реалізація механізмів виявлення і корекції помилок. Для цього на канальному рівні біти групуються в набори, звані кадрами (frames). Канальний рівень забезпечує коректність передачі кожного кадру, вміщуючи спеціальну послідовність біт в початок і кінець кожного кадру, для його виділення, а також обчислює контрольну суму, обробляючи всі байти кадру певним способом і додаючи контрольну суму до кадру. Коли кадр приходить по мережі, одержувач знов обчислює контрольну суму отриманих даних і порівнює результат з контрольною сумою з кадру. Якщо вони збігаються, кадр вважається правильним і приймається. Якщо ж контрольні суми не збігаються, то фіксується помилка. Канальний рівень може не тільки виявляти помилки, але і виправляти їх за рахунок повторної передачі пошкоджених кадрів. Необхідно відзначити, що функція виправлення помилок не є обов'язковою для канального рівня.

Мережний  рівень (Network layer) служить для утворення єдиної транспортної системи, що об'єднує декілька мереж, причому ці мережі можуть використати абсолютно різні принципи передачі повідомлень між кінцевими вузлами і володіти довільною структурою зв'язків.

На мережному  рівні сам термін мережа наділяють специфічним значенням. У даному випадку під мережею розуміється сукупність комп'ютерів, які з'єднані між собою відповідно до однієї з стандартних типових топологій і використовують для передачі даних один із протоколів канального рівня, визначеного для цієї топології.

 Мережі  з'єднуються маршрутизаторами. Маршрутизатор  – це пристрій, який збирає  інформацію про топологію міжмережних  з'єднань і на її основі пересилає  пакети мережного рівня в мережу  призначення. Щоб передати повідомлення від відправника, що знаходиться в одній мережі, одержувачу, що знаходиться в іншій мережі, треба здійснити деяку кількість транзитних передач між мережами, кожний раз вибираючи відповідний маршрут. Таким чином, маршрут являє собою послідовність маршрутизаторів, через які проходить пакет.

Проблема  вибору найкращого шляху називається  маршрутизацією, і її рішення є  однією з головних задач мережного  рівня. Ця проблема ускладнюється тим, що найкоротший шлях не завжди найкращий. Часто критерієм при виборі маршруту є час передачі даних по цьому маршруту; воно залежить від пропускної спроможності каналів зв'язку та інтенсивності трафіку, яка може змінюватися з часом. Деякі алгоритми маршрутизації намагаються пристосуватися до зміни навантаження, в той час як інші приймають рішення на основі середніх показників за тривалий час. Вибір маршруту може здійснюватися і за іншими критеріями, наприклад надійності передачі.

У загальному випадку функції мережного рівня  ширше, ніж функції передачі повідомлень  по зв'язках з нестандартною структурою. Мережний рівень вирішує також задачі узгодження різних технологій, спрощення адресації у великих мережах і створення надійних і гнучких бар'єрів на шляху небажаного трафіка між мережами.

Повідомлення  мережного рівня прийнято називати пакетами (packets). При організації доставки пакетів на мережному рівні використовується поняття «номер мережі». У цьому випадку адреса одержувача складається з старшої частини - номера мережі і молодшої - номера вузла в цій мережі. Всі вузли однієї мережі повинні мати одну й ту ж старшу частину адреси, тому терміну "мережа" на мережному рівні можна дати й інше, більш формальне визначення: мережа – це сукупність вузлів, мережна адреса яких містить один і той же номер мережі.

На мережному  рівні визначаються два види протоколів. Перший вид – мережні протоколи (routed protocols) – реалізують просування пакетів через мережу. Саме ці протоколи зазвичай мають на увазі, коли кажуть про протоколи мережного рівня. Однак, часто до мережного рівня відносять і інший вид протоколів, що називаються протоколами обміну маршрутною інформацією або просто протоколами маршрутизації (routing protocols). За допомогою цих протоколів маршрутизатори збирають інформацію про топологію міжмережних з'єднань. Протоколи мережного рівня реалізовуються програмними модулями операційної системи, а також програмними й апаратними засобами маршрутизаторів.

На мережному  рівні працюють протоколи ще одного типу, які відповідають за відображення адреси вузла, що використовується на мережному рівні, в локальну адресу мережі. Такі протоколи часто називають протоколами дозволу адрес - Address Resolution Protocol, ARP.

На шляху  від відправника до одержувача пакети можуть бути спотворені або загублені. Хоча деякі додатки мають власні засоби обробки помилок, існують і такі, які вважають за краще відразу мати справу з надійним з'єднанням. Транспортний рівень (Transport layer) забезпечує додаткам або верхнім рівням стека – прикладному і сеансовому – передачу даних з тим ступенем надійності, яка їм потрібна. Модель OSI визначає п'ять класів сервісу, що надаються транспортним рівнем. Ці види сервісу відрізняються якістю наданих послуг: терміновістю, можливістю відновлення перерваного зв'язку, наявністю засобів мультиплексування декількох з'єднань між різними прикладними протоколами через загальний транспортний протокол, а головне – здатністю до виявлення і виправлення помилок передачі, таких як спотворення, втрата і дублювання пакетів.  

Вибір класу сервісу транспортного  рівня визначається, з одного боку, тим, якою мірою завдання забезпечення надійності вирішується самими додатками і протоколами більш високих, ніж транспортний, рівнів, а з іншого боку, цей вибір залежить від того, наскільки надійною є система транспортування даних в мережі, що забезпечується рівнями, розташованими нижче транспортного – мережним, канальним і фізичним. Так, наприклад, якщо якість каналів передачі зв'язку дуже висока і імовірність виникнення помилок, не виявлених протоколами більш низьких рівнів, невелика, то розумно скористатися одним з полегшених сервісів транспортного рівня, не обтяжених численними перевірками, іншими прийомами підвищення надійності. Якщо ж транспортні засоби нижніх рівнів спочатку дуже ненадійні, то доцільно звернутися до найбільш розвиненому сервісу транспортного рівня, який працює, використовуючи максимум засобів для виявлення та усунення помилок, за допомогою попереднього встановлення логічного з'єднання, контролю доставки повідомлень по контрольних сумах і циклічної нумерації пакетів, встановлення тайм-аутів доставки і т. п.