Компютърна мрежа: дефиниция, видове, устройства и протоколи

Трудно би било да се приложи мрежова комуникационна технология като един голям модел. В резултат на това разделяме различните компоненти на мрежата на по-малки модули или слоеве. Стандартният модел на мрежата е моделът на Open Systems Interconnection (OSI), установен от Международната организация по стандартизация (ISO). Съществуват и други мрежови модели, въпреки че всички те са разделени на подобни слоеве. Всеки слой използва услугите, които предоставя долният слой, като същевременно осигурява услуги за слоя над него. Всеки слой може да комуникира само със същия слой на крайното устройство.

OSI (Open Systems Interconnection) е 7-слоен мрежов модел, специфициран от нормата на ISO (Международната организация по стандартизация) и широко използван в целия свят. Концепцията за седемслойния модел е предоставена от работата на Чарлз Бакман, Honeywell information Services. Различни аспекти на OSI дизайна се развиват от опита с мрежите ARPANET, NPLNET, EIN и CYCLADES и работата в IFIP WG6.1.

Слой 1

Физическият слой определя електрическите и физическите спецификации на устройствата. Той също така определя модулираното и базовото предаване.

Базова лента

Базовата лента е цифрови данни в суров вид (1001 1101 1010 0011). Това дава възможност за много бързо и надеждно предаване на къси разстояния; въпреки това носителите са склонни да накарат битовете да се намесват един в друг, а обхватът на предаване в базова лента е много ограничен. Той се влошава с увеличаване на скоростта. Базовата технология често се използва в локалните мрежи.

• UTP кабел - макс. 100 m при скорост 100 Mbit/s без повторител
• Оптично влакно - макс. 1 км при скорост 100 Mbit/s без повторител

Типична технология: Ethernet

Модулирано предаване

В телекомуникациите модулацията е процесът на предаване на сигнал за съобщение, например цифров битов поток или аналогов аудиосигнал, в друг сигнал, който може да се предава физически. Устройството, което осигурява модулация на сигнала в основната лента, се нарича модулатор, а устройството, което осигурява демодулация на модулирания сигнал обратно в основната лента, се нарича демодулатор. Днес модулаторът и демодулаторът са интегрирани в едно устройство, наречено Модем (модулатор-демодулатор). Често се използва при WAN, WLAN, WWAN.
Типична технология: WI-FI, ADSL, връзка с кабелна телевизия (CATV)

Слой 2

Слоят за връзка с данни осигурява функционалните и процедурните средства за прехвърляне на данни между мрежовите единици и за откриване и евентуално коригиране на грешки, които могат да възникнат във физическия слой.

Слой 3

Мрежовият слой осигурява функционалните и процедурните средства за прехвърляне на последователности от данни с променлива дължина от хост източник в една мрежа до хост получател в друга мрежа, като се използва IP адрес.

IP адрес

Адресът на интернет протокола (IP адрес) е цифров етикет, присвоен на всяко устройство (например компютър, принтер), участващо в компютърна мрежа, която използва интернет протокола за комуникация. Понастоящем се използват две версии на протоколите - IPv4 и IPv6.

• IPv4 използва 32-битово адресиране, което ограничава адресното пространство до 4294967296 (²³²⁾ възможни уникални адреса.

Пример: IP-192.168.0.1 mask-255.255.255.0 означава, че мрежовият адрес е 192.168.0.0, а адресът на устройството е 192.168.0.1

• IPv6 използва 128-битово адресиране, което ограничава адресното пространство до ²¹²⁸ възможни адреса. Това се счита за достатъчно за обозримото бъдеще. Пълната поддръжка на IPv6 все още е във фаза на внедряване.

Слой 4

Транспортният слой осигурява прозрачен трансфер на данни между крайните потребители, като предоставя надеждни услуги за трансфер на данни на горните слоеве. Протоколът за контрол на предаването (TCP) и протоколът за потребителски данни (UDP) от пакета протоколи на интернет обикновено се категоризират като протоколи от четвърти слой в рамките на OSI.

• Протоколът за управление на предаването (TCP) осигурява надеждна и подредена доставка на поток от байтове от програма на един компютър до друга програма на друг компютър. TCP се използва за приложения, които стриктно изискват надежден трансфер (електронна поща, WWW, трансфер на файлове (FTP), ...).
• UDP (протокол за потребителски дейтаграми) използва прост модел на предаване без имплицитни диалози за ръкостискане за осигуряване на надеждност, подреждане или цялост на данните. UDP се използва в приложения, в които се изисква намалена латентност спрямо надеждността (видеопоток, VOIP, онлайн игри, ...).

Слоеве 5-7

Обикновено обединен в един слой в опростените мрежови модели, основната му цел е да взаимодейства с приложенията, като криптира и създава специални връзки, ако е необходимо.

Закъснение

Латентността, неправилно наричана ping, е стойност, която измерва колко време е необходимо на пакетите да стигнат до местоназначението си. Тя се измерва в милисекунди (ms). Инструментът, който измерва латентността, се нарича ping, като обикновено се използват специални ICMP пакети, които са по-малки от стандартните пакети с данни, така че не натоварват мрежата с присъствието си.

• Незабавната латентност се измерва на всеки Х секунди и се показва незабавно. Нейната стойност се променя постоянно поради естествените свойства на мрежовата технология за комутация на пакети. Високите пикове на латентност имат отрицателно въздействие върху повечето мрежови приложения, които могат да се адаптират към средната латентност, като заделят съответния размер памет като буфер. Високите пикове на латентност водят до изпразване на този буфер и до временно спиране на работата на приложенията. Това спиране обикновено се нарича забавяне.
• Средната латентност е сумата от незабавните латентности, измерени Y пъти на всеки X секунди, разделена на Y. Средната латентност се използва за оценка на размера на буфера, главно защото не се променя толкова често. Буферът дава възможност на някои приложения, като например поточни видеоклипове, да работят гладко дори при висока средна латентност, но не може да ни предпази от високи пикове на латентността.

Капацитет (честотна лента)

Капацитетът е мярка за капацитета за трансфер на дадена мрежа и се измерва в битове в секунда (bps или b/s), днес обикновено Mbps или Mb/s. Той ни показва колко единици данни се прехвърлят всяка секунда. Понастоящем средната пропускателна способност е много по-висока от необходимото и в повечето случаи не е ограничаващ фактор.

• Възходящата връзка е каква част от честотната лента се използва за прехвърляне на данни от потребителя към сървъра (обикновено е по-малка за крайните потребители).
• Низходяща връзка е каква част от честотната лента се използва за прехвърляне на данни от сървъра към потребителя (обикновено по-висока за крайните потребители).

Предавания

Излъчването е специално предаване, което не е предназначено за едно устройство, а е адресирано до всички устройства в определена мрежа. То се използва най-вече за автоматично издаване на IP адреси на устройствата от DHCP сървър и за създаване на ARP таблица, която картографира мрежата и ускорява трафика.