Общие принципы построения глобальных компьютерных сетей

Глобальные компьютерные сети (GAN) объединяют WAN, компьютерные сети стран, материков. Построение этих сетей выполняется строго в соответствии с международными стандартами. Примером глобальной сети является сеть INTERNET, которая соединила в себе национальные сети стран мира, содержит сотни миллионов компьютеров, обеспечивает удаленный доступ к мировым информационным ресурсам (в том числе, национальным библиотечным фондам), позволяет передавать и принимать сообщения в режиме «электронная почта» (E ‑ mail) абонентами, находящимися на разных материках.

В зависимости от способа передачи данных GAN подразделяются на два больших класса: сети Х.25 и сети TCP/IP. Принадлежность GAN к одному из этих двух классов определяется типом используемого для передачи данных сетевого протокола. В сетях Х.25 для передачи данных через коммуникационную подсеть применяется протокол сетевого уровня Х.25, реализующий метод виртуальных соединений. Сети TCP/IP строятся на дейтаграммном способе передачи данных, когда маршрут передаваемых сообщений (дейтаграмм) заранее не определен и зависит от степени загрузки каналов связи и узлов коммуникации. Эти сети используют для передачи данных семейство протоколов транспортного (ТСР) и сетевого (IP) уровней.

В связи с тем, что все GAN содержат общие принципы организации физического уровня, представляется целесообразным вначале рассмотреть эти принципы, а затем особенности построений сетей Х.25 и TCP/IP. Физический уровень GAN в значительной степени определяется требованиями, которые содержатся в моделях ISO/OSI и IEEE 802. В качестве каналов связи в GAN используются телефонные кабели, радиорелейные линии связи, волоконно-оптические магистральные каналы, ССС. Основные характеристики этих каналов связи были рассмотрены ранее, в разделе 1.1 настоящего пособия.

Одной из основных составляющих физического уровня GAN является аппаратура передачи данных, с помощью которой осуществляется подключение абонента к коммуникационной подсети и преобразование физических сигналов. Если подключение абонента выполняется через LAN, то для этого необходим сетевой контроллер, содержащий приемо-передатчик и преобразователь двоичного цифрового сигнала в манчестерский код. Описание этих устройств было приведено ранее, в разделе 2.1.

Особенность физического уровня GAN состоит в применении специальных устройств-модемов для подключения удаленных сетевых абонентов к коммуникационной подсети по телефонным каналам связи. Слово модем является сокращением от слов модулятор / демодулятор. Модем ‑ это устройство, преобразующее двоичные цифровые сигналы, поступающие с компьютера, в частотно ‑ модулированные сигналы, которые необходимо передавать на большие расстояния (десятки и сотни км) по телефонным каналам связи. При приеме модем осуществляет обратное преобразование модулированных сигналов в двоичной цифровой код, который обрабатывается принимающим компьютером.

Существуют три основных способа модуляции двоичных цифровых сигналов: амплитудная, фазовая и частотная. Схемы модуляции приведены на рис. 40.

При амплитудной модуляции производится модуляция амплитуды несущей частоты двоичного сигнала.

При частотной модуляции значения 0 и 1 двоичного сигнала передаются сигналами с различной частотой ‑ и .

При фазовой модуляции значениям сигналов 0 и 1 соответствуют сигналы частоты с разной фазой.

Существуют дискретные способы модуляции, применяемые для преобразования аналоговых сигналов, например речевых, в цифровые. Для этих целей широко используются амплитудно-импульсная, кодово-импульсная и время ‑ импульсная модуляция. Устройства на их основе применяются для построения сетей с интеграцией услуг ISDN и ATM (одновременная передача речи, данных и видеоизображения). Схема соединения компьютеров через телефонную сеть представлена на рис.41.

Чтобы модемы могли обмениваться друг с другом информацией, необходимо, чтобы они использовали одинаковые способы преобразования цифровых данных в аналоговые и обратно. Другими словами, модемы должны применять одинаковые способы модуляции и демодуляции сигналов.

Для разработки стандартов передачи данных был создан специальный Международный консультативный комитет по телеграфии и телефонии (International Consultative Committee for Telegraphy and Telephony - CCITT). Он разработал рекомендации, определяющие способы модуляции и демодуляции сигналов, алгоритм соединения модемов, протоколы коррекции ошибок, протоколы сжатия передаваемой информации и т.д. Рекомендации CCITT для модемов пронумерованы и имеют в своем обозначении префикс V. Наиболее распространенные рекомендации CCITT приведены в табл. 2.

Кроме скорости передачи информации, определяющие производительность модема в соответствии с рекомендацией CCITT, существуют еще две важные характеристики: режим передачи данных (дуплексный и полудуплексный) и способ передачи данных (асинхронный или синхронный).

Дуплексный режим работы модема позволяет одновременно передавать данные в двух направлениях. В дуплексном режиме работают модемы, соответствующие рекомендациям CCITT V.21, V.22, V.22 bis и V.32.

Полудуплексный режим, так же как и дуплексный, позволяет передавать данные в обоих направлениях, но в разные моменты времени. Таким образом при полудуплексном режиме работы модема и одинаковой скорости передачи, данных будет передано в два раза меньше, чем при дуплексном режиме.

Таблица 2

При передаче данных по зашумленным телефонным линиям всегда существует большая вероятность того, что данные, переданные одним модемом, будут приняты другим модемом в искаженном виде. Некоторые передаваемые байты могут изменить свое значение или даже просто исчезнуть. Могут быть приняты данные, которые не были переданы удаленным модемом, т.е. принимающий модем может распознать принятый шум на линии как данные.

Для того, чтобы пользователь имел гарантию, что его данные переданы без ошибок, используются протоколы коррекции ошибок.

Общая форма передачи данных по протоколам с коррекцией ошибок заключается в следующем: модем передает данные отдельными кадрами, размер которых определяется качеством связи. Каждый кадр снабжается заголовком, в котором указывается контрольная сумма кадра. Принимающий модем самостоятельно подсчитывает контрольную сумму каждого кадра и сравнивает ее с контрольной суммой из заголовка принятого кадра. Если эти две контрольные суммы совпали, считается, что кадр принят без ошибок. В противном случае, принимающий модем отсылает передающему модему запрос на повторную передачу этого кадра. Передача сбойного кадра продолжается до тех пор, пока он не будет принят правильно.

Протоколы коррекции ошибок могут быть реализованы не только на аппаратном, но и на программном уровне. Аппаратный уровень реализации более эффективен. Наиболее распространены следующие протоколы коррекции, реализованные на аппаратном уровне: MNP1-MNP10 и V.42.

Современные модемы для ускорения передачи данных используют специальные протоколы, позволяющие производить сжатие передаваемой информации. Передающий модем сжимает данные, они в сжатом виде проходят через телефонный канал и принимаются удаленным модемом. Принимающий модем восстанавливает данные и предает их компьютеру.

Среди протоколов компрессии, реализованных на аппаратном уровне, наибольшее распространение получили протоколы MNP5 и MNP7, а также протокол, разработанный CCITT-V.42 bis. Протоколы MNP (Microcom Network Protocols) – серия аппаратных протоколов коррекции ошибок и сжатия передаваемой информации, разработанная и реализованная фирмой Microcom, включающая в себя 10 протоколов:

· MNP1и MNP2 являются первыми версиями протоколов коррекции ошибок и имеют ограниченное распространение вследствие низкой эффективности.

· MNP 3 – протокол коррекции ошибок, поддерживающий синхронный дуплексный метод передачи данных между модемами.

· MNP 4 – протокол, поддерживающий синхронный дуплексный метод передачи информации. Обеспечивает большую эффективность, чем протоколы MNP2 и MNP3. Протокол MNP4 может менять размер передаваемых кадров данных при изменении числа ошибок на линии. При увеличении числа ошибок, размер кадров уменьшается, увеличивая вероятность успешного прохождения отдельных кадров.

· MNP5‑ протокол, использующий простой метод сжатия передаваемой информации. Символы, часто встречающиеся в передаваемом кадре, кодируются цепочками битов меньшей длины, чем редко встречающиеся символы. Дополнительно кодируются длинные цепочки одинаковых символов. Обычно при этом, текстовые файлы сжимаются до 35% своей исходной длины. Следует заметить, что при передаче уже сжатых данных, например, архиватором ARJ, дополнительного увеличения эффективности за счет сжатия данных модемом, не происходит.

· MNP 6‑ протокол, который дополняет протокол MNP4 автоматическим переключением между дуплексным и полудуплексным методом передачи в зависимости от типа передаваемой информации. Протокол MNP6 также обеспечивает совместимость с протоколом V.29. (полудуплексный протокол, используемый в факс-модемах).

· MNP 7‑ протокол, который по сравнению с протоколом MNP5 использует более эффективный метод сжатия данных.

· MNP9 – протокол, который использует рекомендации V.32 и соответствующий метод работы, обеспечивающий совместимость с низкоскоростными модемами.

· MNP10 – протокол, предназначенный для обеспечения связи на сильно зашумленных линиях, таких как линии сотовой связи, междугородные линии, сельские линии. Стабильность связи достигается за счет многократного повторения попытки установить связь, изменяя размеры кадра данных и скорости передачи в соответствии с уровнем помех на линии.

Все протоколы MNP совместимы между собой снизу вверх. При установлении связи происходит установка наивысшего возможного уровня MNP - протокола. Если один из связывающегося модемов не поддерживает протокол MNP, то MNP- модем работает без него.

· Рекомендация CCITT V.42. Вскоре после разработки фирмой Microcom протоколов коррекции ошибок MNP, CCITT приступил к созданию стандарта V.42. Модемы, соответствующие рекомендации V.42, более устойчивы и обеспечивают большую производительность, чем модемы с поддержкой протоколов MNP. Рекомендации V.42 включает в себя протоколы MNP3-MNP4, чтобы обеспечить совместимость со старыми модемами, и новый протокол коррекции ошибок LAPM (Link Access Procedure for Modems). Протокол LAMP включается только в том случае, если модем соединился с другим модемом, поддерживающим рекомендацию V.42.

· Рекомендация CCITT V.42 bis. Протокол V.42 bis использует метод компрессии, при котором определяется частота появления отдельных символьных строк и происходит их замена на последовательности символов меньшей длины (токены). Этот алгоритм компрессии носит название Limpel ‑ Ziv.

За счет применения алгоритмов Limpel ‑ Ziv модемы, реализующие V.42 bis, сильнее сжимают данные, чем модемы, поддерживающие MNP5.

Модем может работать в двух основных режимах: командном режиме и режиме обмена данными. В режиме обмена данными он может принимать и передавать данные между компьютером и удаленным модемом. При этом компьютер принимает и передает данные от модема через асинхронный порт (COM ‑ порт), к которому подключен модем.

В командном режиме управляющие команды передаются от компьютера модему также через COM ‑ порт. В командном режиме можно изменить характеристики обмена данными, условия связи, заставить модем набирать номер удаленного модема, принять от него вызов.

После выпуска американской фирмой Hayes модемов серии Smart ‑ modem, система команд, использованная в ней, стала стандартом, которого придерживаются остальные разработчики модемов. Система команд, примененная в этих модемах, носит название hayes ‑ команд, или АТ – команд. Со временем выпуска первых АТ ‑ совместимых модемов, набор их команд дополнился и стал называться расширенным набором АТ ‑ команд.