Как уже отмечалось, система компьютерной связи согласно модели OSI/ISO рассматривается на семи уровнях.

Физический уровень имеет дело с передачей битов по физическим каналам связи, таким, например, как коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконный или цифровой территориальный канал и т.д. Со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером или последовательным портом.

Канальный уровень (уровень соединения) на физическом уровне не учитывается, что в некоторых сетях, в которых линии связи используются несколькими парами взаимодействующих компьютеров, физическая среда передачи может быть занята. Поэтому одной из задач канального уровня является проверка доступности среды передачи. Другой задачей канального уровня в некоторых протоколах является механизм обнаружения и коррекции ошибок. Биты на этом уровне группируются в наборы, называемые кадрами (frames). В протоколах канального уровня заложена определённая структура связей между компьютерами и способы их адресации.

Сетевой уровень. протоколы канального уровня локальных сетей обеспечивают доставку данных между любыми узлами только в сети с соответствующей типовой топологией. Сетевой уровень служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей с различными принципами передачи сообщений между конечными узлами и с произвольной структурой связи. Отдельные сети соединяются между собой специальными устройствами - маршрутизаторами.

Сообщения сетевого уровня называются пакетами. При организации доставки пакетов на сетевом уровне используется понятие номер сети. Адрес получателя при этом состоит из старшей части-номера сети и младшей-номера узла в этой сети! Примером протоколов сетевого уровня является протокол межсетевого взаимодействия IP.

Транспортный уровень обеспечивает передачу данных верхним уровням. Модель OSI определяет пять классов сервиса, предоставляемых транспортным уровнем, отличающихся качеством предоставляемых услуг: срочностью, возможностью восстановления прерванной связи, способностью к обнаружению и исправлению ошибок передачи, таких как искажения, потеря и дублирование пакетов.

Примером транспортного протокола является протокол TCP. Протоколы нижних четырёх уровней обобщённо называют сетевым транспортом, т.к. они полностью решают задачу транспортировки сообщений в составных сетях с произвольной топологией и различными технологиями. Остальные три верхних уровня решают задачи предоставления прикладных сервисов на основании имеющейся транспортной подсистемы.

Сеансовый уровень обеспечивает управление диалогом: фиксирует, какая из сторон является активной в настоящий момент, предоставляет средства синхронизации.

Представительный уровень. Он имеет дело с формой представления передаваемой по сети информации. Это уровень обеспечивает понимание информации, передаваемой прикладным уровнем одной системы прикладному уровню принимающей системы. С помощью средств этого уровня преодолеваются, в частности, различия в кодах символов. Например, кодов ASCII и EBSDIC. На этом уровне может выполняться шифрование дешифрование данных, благодаря которому секретность обмена данными обеспечивается сразу для всех прикладных служб.

Прикладной уровень-это просто набор протоколов, с помощью которых пользователи сети получают доступ к разделяемым ресурсам- файлам, принтера, WEB-страницам и т.п., а также организуют совместную работу, например, с помощью протокола электронной почты. Единица данных, которой оперирует прикладной уровень, часто называют сообщением.

Группы сотрудников, работающих над одним проектом в рамках локальной сети, называются рабочими группами. В одной локальной сети могут работать несколько рабочих групп. У участников рабочих групп могут быть разные права для доступа к общим ресурсам сети. Совокупность приемов разделения и ограничения прав участников сети называется политикой сети. Управление сетевыми политиками(их может быть несколько в одной сети) называется администрированием сети. Лицо, управляющее организацией работ участников локальной сети, называется системным администратором (администратором сети).

Как только компьютеров становится больше двух, возникает проблема выбора конфигурации физических связей или топологии. Под топологией сети понимается конфигурация графа, вершинам которого соответствуют конечные узлы сети (например, компьютеры) и коммуникационное оборудование (например, маршрутизаторы^*3), а ребрам — электрические и информационные связи между ними.

Число возможных конфигураций резко возрастает при увеличении числа связываемых устройств. Так, если три компьютера мы можем связать двумя способами, то для четырех компьютеров (рис. 31) можно предложить уже шесть топологически различных конфигураций (при условии неразличимости компьютеров).

Рис. 31. Варианты связи компьютеров.

Мы можем соединять каждый компьютер с каждым или же связывать их последовательно, предполагая, что они будут общаться, передавая друг другу сообщения "транзитом". При этом транзитные узлы должны быть оснащены специальными средствами, позволяющими выполнять эту специфическую посредническую операцию. В роли транзитного узла может выступать как универсальный компьютер, так и специализированное устройство.

От выбора топологии связей зависят многие характеристики сети. Например, наличие между узлами нескольких путей повышает надежность сети и делает возможной балансировку загрузки отдельных каналов. Простота присоединения новых узлов, свойственная некоторым топологиям, делает сеть легко расширяемой. Экономические соображения часто приводят к выбору топологий, для которых характерна минимальная суммарная длина линий связи.

Среди множества возможных конфигураций различают полносвязные и неполносвязные :

Рис. 32. Типы конфигураций

Полносвязная топология соответствует сети, в которой каждый компьютер непосредственно связан со всеми остальными. Несмотря на логическую простоту, это вариант громоздкий и неэффективный. Действительно, каждый компьютер в сети должен иметь большое количество коммуникационных портов, достаточное для связи с каждым из остальных компьютеров. Для каждой пары компьютеров должна быть выделена отдельная физическая линия связи. (В некоторых случаях даже две, если невозможно использование этой линии для двусторонней передачи.) Полносвязные топологии в крупных сетях применяются редко, так как для связи N узлов требуется N(N-1)/2 физических дуплексных линий связи, т.е. имеет место квадратическая зависимость. Чаще этот вид топологии используется в многомашинных комплексах или в сетях, объединяющих небольшое количество компьютеров.

Рис. 33. Полносвязная конфигурация.

Все другие варианты основаны на неполносвязных топологиях, когда для обмена данными между двумя компьютерами может потребоваться промежуточная передача данных через другие узлы сети.

Ячеистая топология получается из полносвязной путем удаления некоторых возможных связей. Ячеистая топология допускает соединение большого количества компьютеров и характерна для крупных сетей .

Рис. 34. Ячеистая топология.

В сетях с кольцевой конфигурацией данные передаются по кольцу от одного компьютера к другому. Главное достоинство "кольца" в том, что оно по своей природе обладает свойством резервирования связей. Действительно, любая пара узлов соединена здесь двумя путями — по часовой стрелке и против. "Кольцо" представляет собой очень удобную конфигурацию и для организации обратной связи — данные, сделав полный оборот, возвращаются к узлу-источнику. Поэтому отправитель в данном случае может контролировать процесс доставки данных адресату. Часто это свойство "кольца" используется для тестирования связности сети и поиска узла, работающего некорректно. В то же время в сетях с кольцевой топологией необходимо принимать специальные меры, чтобы в случае выхода из строя или отключения какой-либо станции не прерывался канал связи между остальными станциями "кольца".

Рис. 35. Топология "кольцо".

Топология "звезда" образуется в том случае, когда каждый компьютер с помощью отдельного кабеля подключается к общему центральному устройству, называемому концентратором. В функции концентратора входит направление передаваемой компьютером информации одному или всем остальным компьютерам сети. В роли концентратора может выступать как компьютер, так и специализированное устройство, такое как многовходовый повторитель, коммутатор или маршрутизатор. К недостаткам топологии типа "звезда" относится более высокая стоимость сетевого оборудования, связанная с необходимостью приобретения специализированного центрального устройства. Кроме того, возможности наращивания количества узлов в сети ограничиваются количеством портов концентратора.

Рис. 36. Топология "звезда".

Иногда имеет смысл строить сеть с использованием нескольких концентраторов, иерархически соединенных между собой связями типа "звезда". Получаемую в результате структуру называют также деревом. В настоящее время дерево является самым распространенным типом топологии связей, как в локальных, так и в глобальных сетях.

Рис. 37. Топология "иерархическая звезда" или "дерево".

Особым частным случаем конфигурации звезда является конфигурация "общая шина" (рис. 38). Здесь в роли центрального элемента выступает пассивный кабель, к которому по схеме "монтажного ИЛИ" подключается несколько компьютеров (такую же топологию имеют многие сети, использующие беспроводную связь — роль общей шины здесь играет общая радиосреда). Передаваемая информация распространяется по кабелю и доступна одновременно всем присоединенным к нему компьютерам.

Рис. 38. Топология "общая шина".

Основными преимуществами такой схемы являются низкая стоимость и простота наращивания, т.е. присоединения новых узлов к сети.

Самым серьезным недостатком "общей шины" является ее недостаточная надежность: любой дефект кабеля или какого-нибудь из многочисленных разъемов полностью парализует всю сеть. Другой недостаток "общей шины" — невысокая производительность, так как при таком способе подключения в каждый момент времени только один компьютер может передавать данные по сети, поэтому пропускная способность канала связи всегда делится между всеми узлами сети. До недавнего времени "общая шина" являлась одной из самых популярных топологий для локальных сетей.

В то время как небольшие сети, как правило, имеют типовую топологию — "звезда", "кольцо" или "общая шина", для крупных сетей характерно наличие произвольных связей между компьютерами. В таких сетях можно выделить отдельные произвольно связанные фрагменты (подсети), имеющие типовую топологию, поэтому их называют сетями со смешанной топологией.

Рис. 39. Смешанная топология.

Простейшее устройство для соединения между собой двух локальных сетей, использующих одинаковые протоколы, называется мостом. Мост может быть аппаратным (специализированный компьютер) или программным. Цель моста – не выпускать за пределы локальной сети данные, предназначенные для внутреннего потребления.