Архитектура - это концепция, определяющая модель, структуру, выполняемые функции и взаимосвязь компонентов сложенного объекта.

Концепцию создания информационной сети определяет архитектура дискретной сети или Digital Network Architecture (DNA), которую предложила корпорация DEC. В нее входят различные типы систем. При этом системы могут работать под управление разных операционных систем. Первая версия под названием DEC net появилась в 1974 - 1975 г. г. Затем были опубликованы последующие версии. DEC разработала стандарты семи уровней и большое число сетевых служб. Каждый из семи уровней выполняет свои специфические функции.

Первый или физический уровень соединяет системы с физическими средствами соединения. Это самый нижний (первый) уровень в иерархии уровней области взаимодействия открытых систем (OSI). Он определяет механические, оптические, электрические, процедурные средства передачи сигналов через физические средства соединения. Он расположен между канальным уровнем и физическими средствами соединения. В соответствии с этим физический уровень использует физические средства соединения, добавляет свой сервис и представляет все это канальному уровню. Задачей уровня является создание физических интерфейсов, необходимых для подключения систем к физическим средствам соединения. Каждый из этих интерфейсов характеризуется механическими аспектами подключения (муфты, соединители), либо электрическими (напряжение, ток, методы модуляции сигнала и т.д.). Уровень определяет также процедуры передачи сигналов в физический канал и приема сигналов из канала.

Физический уровень выполняет следующие функции:

1. Устанавливает и разъединяет физические соединения.

2. Передает последовательности сигналов.

3. Прослушивает в нужных случаях каналы.

4. Выполняет идентификацию каналов.

5. Оповещает о появлении неисправностей и отказов.

Последний вид сервиса связан с тем, что на физическом уровне происходит обнаружение определенного класса событий, мешающих нормальной работе сети (столкновение кадров, посланных сразу несколькими системами, обрыв канала, отключение питания, потеря механического контакта и т.д.). Виды сервиса, представляемого канальному уровню, определяются протоколами физического уровня. При этом протоколом называют стандарт, определяющий поведение функциональных блоков при передаче данных. Протокол является набором правил взаимодействия функциональных блоков, расположенных на одном уровне. Прослушивание канала необходимо в тех случаях, когда к одному каналу подключается группа систем, но одновременно передавать сигналы разрешается только одной из них. Поэтому прослушивание канала позволяет определить, свободен ли он для передачи.

Международный союз электросвязи (ITU) утвердил ряд стандартов физического уровня. Широкую известность получил универсальный интерфейс коммуникационной сети.

Второй или канальный уровень определяет способ передачи данных между соседними системами, указывает методы исправления ошибок. Канальный уровень является вторым в иерархии уровней и расположен между физическим и сетевым уровнями. В соответствии с этим он предоставляет сетевому уровню физические средства соединения, сервис, определяемый функциями физического уровня, и свой сервис. Канальный уровень может выполнять следующие функции:

1. Организацию (установление, управление, расторжение) канальных соединений и идентификацию их портов.

2. Организацию последовательностей блоков данных.

3. Передачу блоков данных.

4. Обнаружение и исправление ошибок.

5. Управление потоками данных.

6. Обеспечение прозрачности логических каналов (передачи по ним данных, закодированных любым способом).

Размер блока данных зависит от способа передачи, качества канала, по которому он передается.

информационная сеть беспроводная технология канал

Функционирование канального уровня определяется его протоколом. Наиболее известными из них являются:

1. Высший уровень управления каналами данных (HDLC)

2. Процедура доступа к каналу (LAP)

3. Стандарты IEEE

Вначале на канальном уровне происходила передача кадров между смежными системами. Позже при появлении скоростной коммутации данных на этом уровне стали передаваться блоки данных через всю коммуникационную сеть.

Третий или сетевой уровень обеспечивает два коммуникационных сервиса: с установлением соединений и без их установления. Сетевой уровень обеспечивает прокладку каналов, соединяющих абонентские системы и административные системы через коммуникационную сеть.

Сетевой уровень является третьим в иерархии уровней и расположен между транспортным уровнем и канальным уровнем. В соответствии с этим сетевой уровень предоставляет транспортному свой сервис и сервис, определяемый функциями физического и канального уровней. Задачей сетевого уровня является создание виртуальных каналов, проходящих через коммуникационную сеть. Виртуальный канал - это логический канал, проходящий через коммуникационную сеть. Кроме того сетевой уровень сообщает транспортному уровню о появляющихся ошибках. Передача данных через коммуникационную сеть осуществляется пакетами. В них помечаются фрагменты данных.

Сетевой уровень определяется стандартами Международной организации по стандартизации (ISO). На сетевом уровне могут выполняться следующие функции:

1. Создание сетевых соединений и идентификация их портов.

2. Обнаружение и исправление ошибок, возникающих при передаче через коммуникационную сеть.

3. Управление потоками пакетов.

4. Организация (упорядочение) последовательностей пакетов.

5. Маршрутизация и коммутация.

6. Сегментирование и объединение пакетов.

7. Возврат в исходное состояние.

8. Выбор вида сервиса.

Соответственно этим функциям сетевой уровень предоставляет сервис транспортному уровню.

Транспортный уровень - это уровень, на котором пакеты передаются через коммутационную сеть. Транспортный уровень является четвертым в иерархии уровней и расположен между сетевым уровнем и сеансовым уровнем. Поэтому транспортный уровень предоставляет сеансовому уровню физические средства соединения, сервис физического, канального и сетевого уровней, а также свой сервис. Рассматриваемый уровень определяет адресацию абонентских и административных систем в информационной сети. Однако, его главной задачей является использование виртуальных каналов, проложенных между взаимодействующими абонентскими системами. При этом происходит передача в пакетах через коммуникационную сеть блоков данных, которые называются фрагментами данных.

В перечень функций транспортного уровня входят:

1. Управление передачей блоков данных и обеспечение их целостности.

2. Обнаружение ошибок, их частичная ликвидация, сообщение о неисправленных ошибках.

3. Восстановление передачи после отказов и неисправностей.

4. Укрупнение или разукрупнение блоков данных.

5. Предоставление приоритетов при передаче блоков (нормальная, срочная).

6. Передача подтверждений о переданных блоках данных.

7. Ликвидация блоков при тупиковых ситуациях.

Кроме того, транспортный уровень восстанавливает блоки данных, потерянные на нижних уровнях. Управление целостностью и последовательностью блоков обеспечивает прием адресатами блоков целыми и в порядке, в котором их послал отправитель.

Важную роль в управлении передачей данных играет механизм окна. Под окном понимается число блоков данных, которое передается через коммутационную сеть без подтверждения об их доставке без ошибок. По окончании этой передачи адресат должен подтвердить получение посланной группы блоков.

Стандарт ISO (международная организация по стандартизации) в зависимости от перечня предоставляемых видов сервиса определяет пять классов процедур (0, 1, 2, 3,4), выполняемых транспортным протоколом. Класс 0 - самый простой. Поэтому может выполняться терминалами и устройствами телексов. Восстановление при отказах и мультиплексирование здесь не предусматривается. Класс 1 - также простой, но в него добавлены возможности восстановления соединения при появлении сбоев. Классы 2, 3, 4 - более сложные классы, которые предоставляют дополнительные возможности для передачи данных (например, мультиплексирование). Эти классы также характеризуются качеством сервиса - пропускной способностью, временем передачи, частотой ошибок и т.д.

Сеансовый уровень - это уровень, определяющий процедуру проведения сеансов между пользователями или прикладными процессами. Сеансовый уровень является пятым в иерархии протоколов и расположен между транспортным и представительным уровнями. Поэтому этот уровень предоставляет представительному уровню физические средства соединения, сервис физического, канального, сетевого уровней, а также свой сервис.

Инициатором является объект прикладного уровня, который требует проведения сеанса и указывает адрес необходимого партнера. Сеансовый уровень, если это необходимо, может обращаться к любому прикладному процессу по его имени непосредственно независимо от того, в какой абонентской системе либо административной системе этот процесс находится. Поэтому прикладной процесс может перемещаться по информационной сети, располагаясь в любой ее системе. Это важно в тех случаях, когда одна из систем выходит из строя или когда осуществляется распределенная обработка данных.

Сеансовый уровень обеспечивает выполнение следующих функций:

1. Устанавливает и завершает на сеансовом уровне соединение между партнерами.

2. Выполняет нормальный и срочный обмен данными между прикладными процессами.

3. Управляет взаимодействием прикладных процессов.

4. Синхронизирует работы сеансовых соединений.

5. Извещает прикладные процессы об исключительных ситуациях.

6. Устанавливает в прикладном процессе метки, которые позволяют после отказа либо ошибки восстанавливать его выполнение от ближайшей метки.

7. Прерывает в нужных случаях прикладной процесс и восстанавливает его.

8. Прекращает сеанс без потери данных.

9. Передает особые сообщения о ходе проведения сеанса.

Через одно и тоже соединение на транспортном уровне могут передаваться данные, которые относятся к различным одновременно проводимым сеансам. Поэтому на сеансовом уровне должны быть приняты меры по идентификации сеансов. Вместе с тем один и тот же сеанс может для надежности осуществляться по нескольким транспортным соединениям.

На сеансовом уровне реализуются два вида протоколов: ориентированный на использование соединений и взаимодействие без установления соединений.

Представительный уровень - это уровень, который представляет (описывает) в нужной форме данные, передаваемые между прикладными процессами. Представительный уровень является шестым в иерархии уровней и расположен между сеансовым уровнем и прикладным уровнем. Поэтому представительный уровень предоставляет прикладному уровню свой сервис и сервис физического, канального, сетевого, транспортного и сеансового уровней. Уровень обеспечивает кодирование данных, выдаваемых прикладными процессами, и интерпретацию передаваемых им данных. Иначе говоря, на представительном уровне данные преобразуются и формируются в виде, необходимом для передачи. На этом уровне также происходит преобразование форматов и синтаксиса данных. С синтаксисом тесно связана семантика, характеризующая смысловое значение передаваемых данных. Однако, она известна лишь самим прикладным процессам. Совокупное описание общей структуры данных наряду с множеством возможных действий над ними принято называть образом представления. Использование стандартных виртуальных форм представления позволяет обеспечить взаимодействие между прикладными процессами.

Представительный уровень выполняет следующие основные функции:

1. Выбор образа представления из возможных вариантов.

2. Изменения образа представления в виртуальный.

3. Преобразование синтаксиса данных (кодов, символов) в стандартный.

4. Определение формата данных.

Для реализации этого сервиса представительный уровень выполняет действия, к которым в первую очередь относятся:

1. Генерация запросов на установление сеансов взаимодействия прикладных процессов.

2. Согласование между прикладными процессами видов представления данных.

3. Реализация форм представления данных.

4. Представление графического материала (чертежей, рисунков, схем и т.д.) 5. Представление речи.

6. Засекречивание данных.

7. Передача запросов на прекращение сеансов.

Работа представительного уровня описывается стандартами Международной организации по стандартизации (ISO). При этом возможна как организация соединений, так и работа без организации соединений. При использовании соединений выполнение представительным уровнем своих функций осуществляется последовательно в четыре этапа. На первом этапе происходит установление сеанса взаимодействия. При этом представительный уровень передает сеансовому уровню команду, и сеансовый уровень начинает сеанс. На втором этапе следует фаза управления видом представления. В этой фазе выбирается один из имеющихся видов представления и определение его параметров. На третьем этапе осуществляется переход к фазе передачи данных и синхронизации функционирования. При этом происходит преобразование, идентификация и сжатие данных. Широко используется криптография. Криптография - это способ изменения данных с целью сделать их непонятными для непосвященных лиц. На последнем четвертом этапе происходит завершение сеанса. Здесь заканчиваются процедуры, связанные с представлением данных. Прикладной уровень обеспечивает прикладным процессам средства доступа к области взаимодействия.

Прикладной уровень является верхним (седьмым) в иерархии уровней и в соответствии с прикладным интерфейсом непосредственно примыкает к прикладным процессам. Снизу с ним связан представительный уровень. Прикладной уровень выполняет задачу обеспечения различных форм взаимодействия прикладных процессов, которые расположены в разнообразных системах информационной сети.

Для этого он осуществляет функции:

1. Описание форм и методов взаимодействия прикладных процессов.

2. Выполнение различных видов работы (управление заданиями, передача файлов, управление системой и т.п.).

3. Идентификацию пользователей (партнеров взаимодействия) по их паролям, адресам, электронным подписям.

4. Определение функционирующих абонентов.

5. Объявление о возможности доступа к новым прикладным процессам.

6. Определение достаточности имеющихся ресурсов.

7. Посылку запросов на соединение с другими прокладными процессами.

8. Подачу заявок представительному уровню на необходимые методы описания информации.

9. Выбор процедур планируемого диалога процессов.

10. Управление данными, которыми обмениваются прикладные процессы.

11. Синхронизацию взаимодействия прикладных процессов.

12. Определение качества обслуживания (время доставки блоков данных, допустимой частоты ошибок и т.д.).

13. Соглашение об исправлении ошибок и определение достоверности данных.

14. Согласование ограничений, накладываемых на синтаксис (наборы символов, структура данных).

Указанные функции определяют виды сервиса, которые прикладной уровень предоставляет прикладным процессам. Кроме того, прикладной уровень передает прикладным процессам сервис, представляемый физическим, канальным, сетевым, транспортным, сеансовым и представительным уровнями.

Прикладной уровень часто делится на два подуровня:

1. Верхний подуровень включает сетевые службы.

2. Нижний подуровень содержит стандартные сервисные элементы, поддерживающие работу сетевых служб.

Семиуровневая архитектура взаимодействия открытых систем представлена на рис. 1-2.

Рис. 1-2. Семиуровневая система взаимодействия открытых систем

В зависимости от среды передачи данных линии связи разделяются:

1. Проводные (воздушные) 2. Кабельные (медные и волоконно-оптические) 3. Радиоканалы наземной и спутниковой связи

Проводные (воздушные) линии связи представляют собой провода без каких-либо изолирующих или экранируемых оплеток, которые проложены между столбами и висящими в воздухе. По ним передаются телефонные и телеграфные сообщения, а также компьютерные данные. Скоростные данные и помехоустойчивость этих линий низкая. В настоящее время проводные линии связи быстро вытесняются кабельными линиями связи.

Кабельные линии связи имеют достаточно сложную конструкцию. Кабель состоит из проводов, заключенных в несколько слоев изоляции: электрической, электромагнитной, механической и иногда климатической. Иногда кабель оснащен разъемами, позволяющими подключать к нему оборудование. В телекоммуникационных сетях принимаются три основных вида кабелей: кабели на основе скрученных пар медных проводов, коаксиальные кабели с медной жилой и волоконно-оптические кабели. В зависимость от условий прокладки кабели делятся на внутренние кабели (кабели зданий) и внешние кабели. Внешние кабели делятся на подземные, подводные и кабели воздушной проводки. Скрученная пара проводов называется витой парой. Скручивание снижает уровень помех. Для неответственных применений внутри зданий иногда используются симметричные кабели из нескрученных пар - так называемая "лапша". Кабели на основе витой пары называются симметричными кабелями, т.к. они состоят из одинаковых в конструктивном отношении двух проводников. Симметричный кабель может быть как экранированным тик и неэкранированным. Коаксиальный кабель состоит из несимметричных пар проводов. При этом каждая пара представляет собой внутреннюю медную жилу, и соосную с ней внешнюю жилу. Внешняя жила может быть полой медной трубкой или оплеткой, отделенной от внутренней жилы диэлектрической изоляцией. Внешняя жила играет двоякую роль: по ней передаются информационные сигналы и она является экраном, защищающим внутреннюю жилу от внешних электромагнитных полей. Коаксиальные кабели отличаются характеристиками и областями применения: для локальных сетей, для глобальных сетей, для кабельного телевидения и т.д. Волоконно-оптический кабель состоит из тонких (5-60 микрон) гибких стеклянных волокон (волоконных световодов), по которым распространяются световые сигналы. Это наиболее качественный кабель, который обеспечивает передачу данных со скоростью до 10 Гбит/с и выше, и обеспечивает наилучшую защиту данных от внешних помех. Каждый световод состоит из центрального проводника света (сердцевины) - стеклянного волокна и стеклянной оболочки, которая обладает меньшим показателем преломления, чем сердцевина. Распространяясь по сердцевине лучи света, не выходят за ее пределы, отражаясь от покрывающего слоя оболочки. В зависимости от распределения показателя преломления и от величины диаметра сердечника различают:

1. Многомодовое волокно со ступенчатым изменением показателя преломления (диаметр сердечника 40 - 100 мкм).

2. Многомодово волокно с плавным изменение показателя преломления (диаметр сердечника 40 - 100 мкм).

3. Одномодовое волокно (диаметр сердечника 5 - 15 мкм).

Понятие мода описывает режим распространения световых лучей во внутреннем сердечнике кабеля. В одномодовом кабеле используется центральный проводник очень малого диаметра, соизмеримый с длинной волной света - от 5 до 10 мкм. При этом все лучи света распространяются вдоль оптической оси световода, не отражаясь от внешнего проводника. Изготовление качественных сверхтонких волокон для одномодового кабеля представляет собой сложный технологический процесс. Поэтому одномодовые кабели достаточно дорогие. Кроме того, в волокне тако-го маленького диаметра сложно направить пучок света, не потеряв значительную часть энергии.

В многомодовых кабелях во внутреннем проводнике существуют несколько световых лучей, отражающихся от внешнего проводника под разными углами. Угол отражения луча называется модой луча. В многомодовых кабелях с плавным изменением коэффициента преломления режим распространения каждой моды имеет сложный характер. Интерференция лучей разных мод ухудшает качество передаваемого сигнала. Многомодовые кабели легче изготовить, поэтому они дешевле одномодовых, но характеристика многомодовых кабелей значительно хуже характеристики одномодовых кабелей. В результате многомодовые кабели используются в основном для передачи данных на небольшие расстояния (до 30 - 2000 м) на скоростях не более 1 Гбит/с.

Одномодовые кабели используются для передачи данных со сверхвысокими скоростями в несколько гигабит в секунду (при использовании технологии DWDM - до нескольких терабит в секунду), на расстояния от нескольких километров (локальные и городские сети) до несколько сотен километров (дальняя связь). Наиболее распространены (согласно стандартам) два многомодовых кабеля: 62.5/125 мкм и 50/125 мкм, где 62.5 и 50 - диаметры центрального проводника, а 125 мкм - диаметр внешнего проводника. В качестве источника излучения света в волоконно-оптических кабелях применяются:

1. Светодиоды или светоизлучающие диоды.

2. Полупроводниковые лазеры, лазерные диоды.

Для одномодовых кабелей применяются только лазерные диоды (из-за малого диаметра оптического волокна), которые имеют узкую направленность излучения. Более дешевые светодиодные излучатели используются только для многомодовых кабелей.

Стоимость волоконно-оптических кабелей ненамного превышает стоимость кабелей на витой паре. Однако стоимость монтажных работ с оптоволокном обходится намного дороже из-за трудоемкости операций и стоимость монтажного оборудования. Присоединение оптического волокна к разъему требует проведения высокоточной обрезки волокна в плоскости строго перпендикулярной оси волокна, а также выполнения соединения путем сложной операции склеивания.

Радиоканалы наземной и спутниковой связи образуются с помощью передатчика и приемника радиоволн. Существует большое разнообразие типов радио-каналов. Они отличаются частным диапазоном и дальностью канала. Диапазоны коротких, средних и длинных волн (КВ, СВ и ДВ) по типу модуляции называются диапазонами амплитудной модуляции. Они обеспечивают дальнюю связь, при невысокой скорости передачи данных. Более скоростными являются каналы, работающие на диапазонах ультракоротких волн (УКВ) и сверхвысоких частот (СВЧ), для которых характерна частотная модуляция. В диапазоне СВЧ (свыше 4ГГц) сигналы уже не отражаются ионосферой Земли. Поэтому для устойчивой связи требуется наличие прямой видимости между передатчиком и приемником. Такие частоты используют либо спутниковые каналы, либо релейные каналы, где это условие выполняется.

В информационных сетях сегодня применяются практически все описанные типы физических сред передачи данных. Однако наиболее перспективными являются волоконно-оптические кабели. На них сегодня строятся как магистрали крупных территориальных и городских сетей, так и высокоскоростные линии связи локальных сетей. Популярной средой также является витая пара. Она отличается высоким отношением качества к стоимости и простотой монтажа. Спутниковые каналы и радиосвязь используются чаще всего тогда, когда кабельные линии связи применять нельзя (мобильный пользователь, прохождение канала через малонаселенную местность и т.д.). Пока наиболее популярными являются мобильные телефонные сети. Мобильные информационные сети представлены сетями радио - Ethernet, имеющими несравнимо меньшее распространение. В мобильных сетях нового третьего поколения (3d generation, 3G) предусматриваются одновременная передача голоса и данных. При этом каждый вид трафика считается одинаково важным.

§2.3 Передача данных на физическом и канальном уровнях