Поскольку информационный обмен — процесс  многофункциональный, то протоколы делятся на уровни. К каждому уровню относится группа родственных функций. Для правильного взаимодействия узлов различных вычислительных сетей их архитектура должна быть открытой. Этим целям служат унификация и стандартизация в области телекоммуникаций и вычислительных сетей.

    Унификация  и стандартизация протоколов выполняются  радом международных организаций, что наряду с разнообразием типов сетей породило большое число различных протоколов. Наиболее широко распространенными протоколы открытых систем Международной организации по стандартизации (ISO — International Standard Organization), протоколы Международного телекоммуникационного союза (International Telecommunication Union — ITU, ранее называвшегося CCITT) и протоколы Института инженеров по электротехнике и электронике (IEEE — Institute of Electrical and Electronics Engineers). Протоколы ISO являются семиуровневыми и известны как протоколы базовой эталонной модели взаимосвязи открытых систем (ЭМВОС).

5.1.1 Эталонная модель взаимосвязи открытых систем

    (от англ. Open Systems Interconnection Reference Model – OSI)

    Базовая ЭМВОС — это модель, принятая ISO для описания общих принципов взаимодействия информационных систем. ЭМВОС признана всеми международными организациями как основа для стандартизации протоколов информационных сетей.

    В ЭМВОС информационная сеть рассматривается  как совокупность функций, которые делятся на группы, называемые уровнями. Разделение на уровни позволяет вносить изменения в средства реализации одного уровня без перестройки средств других уровней, что значительно упрощает и удешевляет модернизацию средств по мере развития техники.

    ЭМВОС содержит семь уровней. Ниже приведены  их номера, названия и выполняемые функции.

    7-й  уровень – прикладной (application): включает средства управления прикладными процессами. Эти процессы могут объединяться для выполнения поставленных заданий, обмениваться между собой данными. Другими словами, на этом уровне определяются и оформляются в блоки те данные, которые подлежат передаче по сети. Уровень включает, например, такие средства для взаимодействия прикладных программ, как прием и хранение пакетов в "почтовых ящиках" (mail-box).

    6-й  уровень – представительный (presentation): реализуются функции представления данных (кодирование, форматирование, структурирование).

    5-й  уровень – сеансовый (session): предназначен для организации и синхронизации диалога, ведущегося рабочими станциями сети. На этом уровне определяются тип связи, начало и окончание заданий, последовательность и режим обмена запросами и ответами взаимодействующих партнеров.

    4-й  уровень – транспортный (transport): предназначен для управления сквозными каналами в сети передачи данных; на этом уровне обеспечивается связь между конечными пунктами (в отличие от следующего сетевого уровня, на котором обеспечивается передача данных через промежуточные компоненты сети). К функциям транспортного уровня относятся сборка-разборка пакетов, обнаружение и устранение ошибок в передаче данных, реализация заказанного уровня услуг (например, заказанной скорости и надежности передачи).

    3-й  уровень – сетевой (network): на этом уровне происходит формирование пакетов по правилам тех промежуточных сетей, через которые проходит исходный пакет, и маршрутизация пакетов, т.е. определение и реализация маршрутов, по которым передаются пакеты. Другими словами, маршрутизация сводится к образованию логических каналов. Логическим каналом называется виртуальное соединение двух или более объектов сетевого уровня, при котором возможен обмен данными между  этими объектами. Еще одной важной функцией сетевого уровня после маршрутизации является контроль нагрузки на сеть с целью предотвращения перегрузок, отрицательно влияющих на работу сети.

    2-й  уровень – канальный (link, уровень звена данных): предоставляет услуги по обмену данными между логическими объектами предыдущего сетевого уровня и выполняет функции, связанные с формированием и передачей кадров, обнаружением и исправлением ошибок, возникающих на следующем, физическом уровне. Кадром называется пакет канального уровня, поскольку пакет на предыдущих уровнях может состоять из одного или многих кадров.

    1-й  уровень – физический (physical): предоставляет механические, электрические, функциональные и процедурные средства для установления, поддержания и разъединения логических соединений между логическими объектами канального уровня; реализует функции передачи битов данных через физические среды. Именно на физическом уровне осуществляются представление информации в виде электрических или оптических сигналов, преобразования формы сигналов, выбор параметров физических сред передачи данных.

    В конкретных случаях может возникать  потребность в реализации лишь части названных функций, тогда соответственно в сети имеется лишь часть уровней.

5.1.2 Протоколы ЛВС

    В  простых (неразветвленных) ЛВС отпадает необходимость в средствах сетевого и транспортного уровней. В то же время сложность функций канального уровня делает целесообразным его разделение в ЛВС на два подуровня: управление доступом к каналу (MAC — Medium Access Control) и управление логическим каналом (LLC — Logical Link Control). К подуровню LLC в отличие от подуровня MAC относится часть функций канального уровня, не связанных с особенностями передающей среды.

    Передача  данных через разветвленные сети происходит при использовании инкапсуляции/декапсуляции порций данных. Так, сообщение, пришедшее на транспортный уровень, делится на сегменты, которые получают заголовки и передаются на сетевой уровень. Сегментом обычно называют пакет транспортного уровня. Сетевой уровень организует передачу данных через промежуточные сети. Для этого сегмент может быть разделен на части (пакеты), если сеть не поддерживает передачу сегментов целиком. Пакет снабжается своим сетевым заголовком (т.е. происходит инкапсуляция). При передаче между узлами промежуточной ЛВС требуется инкапсуляция пакетов в кадры с возможной разбивкой пакета. Приемник декапсулирует сегменты и восстанавливает исходное сообщение.

    Родоначальниками  большинства канальных протоколов в различных сетях стали байт-ориентированный  протокол BSC и бит-ориентированный протокол HDLC. Особенно популярны разновидности HDLC. К таким протоколам можно отнести канальные протоколы XModem для модемной связи, протоколы IEEE 802.Х, протокол LAPB для сетей Х.25 и др.

    Частные примеры протоколов: для подуровня MAC — протоколы IEEE 802/3 (доступ по МДКН/ОК, сети Ethernet) и IEEE 802/5 (маркерный доступ, сети Token Ring), для подуровня LLC - протокол IEEE 802/2.

5.2 Методы доступа [2]

    Типичными методами доступа к передающей среде  в современных ЛВС являются:

• множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов (CSMAZCD), иначе называемый методом доступа Ethernet, так как именно в этой сети получил наибольшее распространение;
• маркерное кольцо (метод доступа Token Ring);
• маркерная шина (метод доступа Arcnet)

    Метод доступа Ethernet (метод случайного доступа) разработан фирмой Xerox в 1975 г. и используется в ЛВС с шинной топологией, обеспечивает высокую скорость передачи данных и надежность. Это метод множественного доступа. Каждая рабочая станция перед началом передачи определяет, свободен канал или занят. Если канал свободен, рабочая станция начинает передачу данных, осуществляемую пакетами данных, упакованными в кадры. Из-за различных системных задержек могут возникнуть конфликты. В этом случае станция задерживает передачу на определенное время. Для каждой рабочей станции устанавливается свое время ожидания перед повторной передачей кадра.

    Метод доступа Token Ring разработан фирмой IBM и рассчитан на кольцевую топологию сети. Это селективный метод доступа в кольцевой канал, именуемый «маркерное кольцо». В качестве маркера используется, уникальная последовательность битов. Маркер не имеет адреса и может находиться в одном из двух состояний – свободном или занятом. Если ни одна рабочая станция не готова к передаче данных, свободный маркер циркулирует по кольцу. Станция, имеющая кадр для передачи, ждет подхода свободного маркера, захватывает его, изменяет состояние маркера на «занятый» и добавляет к нему кадр. Занятый маркер с кадром перемещается по кольцу и возвращается к станции-отправителю, причем при прохождении через узел назначения снимается копия кадра. Станция-отправитель удаляет свой кадр из кольца, изменяет состояние маркера на «свободный» и передает его дальше по кольцу. С этого момента любая станция может изменить состояние маркера на «занятый» и начать передачу данных. Описанная процедура характерна для сети, в которой все станции имеют одинаковый приоритет. В рамках метода «маркерное кольцо» предусматривается возможность передачи кадров станции с учетом их приоритетов. Тогда станции с низким приоритетом могут захватывать кольцо в случае неактивности станций с более высоким приоритетом.

    Метод доступа Arcnet разработан фирмой Datapoint Corp и используется в ЛВС с топологией «звезда» и «общая шина». Это селективный метод доступа в моноканал, называемый «маркерная шина». Маркер создается одной из станций сети и имеет адресное поле, где указывается номер (адрес) станции, владеющей маркером. Передачу производит только та станция, которая в данный момент владеет маркером (эстафетной палочкой). Остальные станции работают на прием. Последовательность передачи маркера от одной станции к другой задается управляющей станцией сети. Станции, последовательно получающие маркер для передачи кадров, образуют «логическое кольцо». Станция, получившая маркер (полномочия на передачу информации), передает свой подготовленный кадр в шину. Если кадра для передачи нет, она сразу посылает маркер другой станции согласно установленному порядку передачи полномочий. Так продолжается до тех пор, пока управляющая станция не инициирует новую последовательность передач маркера. Станция назначения, получившая маркер с кадром, «отцепляет» кадр от маркера и передает маркер следующей станции в установленной последовательности передач. При таком методе доступа в моноканал имеется возможность обеспечить приоритетное обслуживание абонентов, например в течение одного цикла, когда маркер совершает полный оборот по «логическому кольцу», станции с более высоким приоритетом получают маркер не один раз, а несколько.

6. Сетевое оборудование

6.1 Сетевые адаптеры [2]

    Для подключения ПК к сети требуется устройство сопряжения, которое называют сетевым адаптером, интерфейсом, модулем, или картой. Оно вставляется в гнездо материнской платы. Карты сетевых адаптеров устанавливаются на каждой рабочей станции и на файловом сервере. Рабочая станция отправляет запрос через сетевой адаптер к файловому серверу и получает ответ через сетевой адаптер, когда файловый сервер готов.

    Сетевые адаптеры вместе с сетевым программным обеспечением способны распознавать и обрабатывать ошибки, которые могут возникнуть из-за электрических помех, коллизий или плохой работы оборудования.

    По  выполняемым функциям сетевые адаптеры разделяются на две группы:

• реализующие функции физического и канального уровней. Такие адаптеры, выполняемые в виде интерфейсных плат, отличаются технической простотой и невысокой стоимостью. Они применяются в сетях с простой топологией, где почти отсутствует необходимость выполнения таких функций, как маршрутизация пакетов, формирование из поступающих пакетов сообщений, согласование протоколов различных сетей и др.
• реализующие функции первых четырех уровней модели ЭМВОС - физического, канального, сетевого и транспортного. Эти адаптеры, кроме функций сетевых адаптеров первой группы, могут выполнять функции маршрутизации, ретрансляции данных, формирования пакетов из передаваемого сообщения (при передаче), сборки пакетов в сообщение (при приеме), согласования протоколов передачи данных различных сетей, сокращая таким образом затраты вычислительных ресурсов ЭВМ на организацию сетевого обмена. Технически они могут быть выполнены на базе микропроцессоров. Естественно, что такие адаптеры применяются в ЛВС, где имеется необходимость в реализации перечисленных функций.

    Адаптеры  ориентированы на определенную архитектуру  локальной сети и ее технические  характеристики, поэтому по топологии  ЛВС адаптеры разделяются на следующие  группы: поддерживающие шинную топологию, кольцевую, звездообразную, древовидную, комбинированную (звездно-кольцевую, звездно-шинную).

    Дифференциация  адаптеров по выполняемым функциям и ориентация их на определенную архитектуру  ЛВС привели к большому многообразию типов адаптеров и разбросу их характеристик.

6.2 Концентраторы (хабы) [4]

    Сетевой концентратор или хаб (от англ. hub – центр  деятельности) – сетевое устройство, для объединения нескольких устройств ЛВС в общий сегмент. Устройства подключаются при помощи витой пары, коаксиального кабеля или оптоволокна.

    В настоящее время почти не выпускаются  – им на смену пришли сетевые  коммутаторы (свитчи), выделяющие каждое подключенное устройство в отдельный  сегмент. Сетевые коммутаторы ошибочно называют «интеллектуальными концентраторами».

    Концентратор работает на физическом уровне сетевой модели OSI, повторяет приходящий на один порт сигнал на все активные порты. В случае поступления сигнала на два и более порта одновременно возникает коллизия, и передаваемые кадры данных теряются. Таким образом, все подключенные к концентратору устройства находятся в одном домене коллизий. Многие модели хабов имеют простейшую защиту от излишнего количества коллизий, возникающих по причине одного из подключенных устройств. В этом случае они могут изолировать порт от общей среды передачи. По этой причине, сетевые сегменты, основанные на витой паре гораздо стабильнее в работе сегментов на коаксиальном кабеле, поскольку в первом случае каждое устройство может быть изолировано хабом от общей среды, а во втором случае несколько устройств подключаются при помощи одного сегмента кабеля, и, в случае большого количества коллизий, концентратор может изолировать лишь весь сегмент.

    В последнее время концентраторы  используются достаточно редко, вместо них получили распространение коммутаторы.

    Характеристики  хабов:

• количество портов – разъёмов для подключения сетевых линий, обычно выпускаются хабы с 4, 5, 6, 8 и 16 портами (наиболее популярны последние два). Хабы с бо́льшим количеством портов значительно дороже, однако хабы можно соединять каскадно друг к другу, в некоторых для этого предусмотрены специальные порты.
• скорость передачи данных – измеряется в Мбит/с, выпускаются хабы со скоростью 10 и 100. Кроме того, в основном распространены концентраторы с возможностью изменения скорости, обозначаются как 10/100 Мбит/с. Скорость может переключаться как автоматически, так и с помощью перемычек или переключателей. Стоит помнить, что если хотя бы одно устройство присоединено к хабу на скорости нижнего диапазона, он будет отдавать данные на все порты с этой скоростью.
• тип сетевого носителя — обычно это витая пара или оптоволокно, но существуют концентраторы и для других носителей, а также смешанные, например для витой пары и коаксиального кабеля.