Общие принципы построения компьютерных сетей и основные определения. Принципы построения и классификация вычислительных сетей
Основой для создания сети передачи данных является первичная сеть, которая представляет собой совокупность сетевых узлов, сетевых станций и линий передачи, образующую сеть типовых каналов передачи и типовых групповых трактов.
Каналом передачи называется совокупность технических средств и среды распространения, обеспечивающая передачу сигналов электросвязи или в определенной полосе частот, или с определенной
скоростью между двумя станциями или узлами. Канал с нормированными параметрами называется типовым.
Групповой тракт - это совокупность технических средств, обеспечивающая передачу сигналов электросвязи или в полосе частот, или со скоростью передачи нормированной группы каналов. Если параметры группового тракта нормированы, то тракт называется типовым. Групповые тракты строятся на основе линий передачи.
Линия передачи первичной сети - это совокупность физических цепей, линейных трактов однотипных и разнотипных систем передачи, имеющих общие среду распространения, линейные сооружения и устройства их обслуживания. Линии передачи различаются в зависимости от первичной сети, к которым они принадлежат, и от среды распространения. В настоящее время наибольшее распространение получили радиорелейные, тропосферные, проводные и спутниковые линии передачи.
Сетевым узлом (СУ) первичной сети называется комплекс технических средств, обеспечивающий:
организацию и транзит типовых групповых трактов и типовых каналов передачи первичной сети;
переключение указанных трактов и каналов, принадлежащих различным линиям передачи;
предоставление необходимого числа каналов и групповых трактов для образования вторичных сетей.
Сетевые станции первичной сети обеспечивают организацию типовых каналов и трактов, предоставление их для образования вторичных сетей и соединения каналов и групповых трактов различных вторичных сетей между собой.
Фрагмент первичной сети с различными линиями передачи изображен на рис. 1.6.
Первичные сети подразделяются на местные, внутренние, зоновые и магистральные.
Часть первичной сети, ограниченная территорией города или сельского района, называется местной первичной сетью.
Внутризоновая первичная сеть - это часть первичной сети, ограниченная территорией, совпадающей с зоной нумерации, и обеспечивающая соединение между собой типовых групповых трактов и типовых каналов передачи разных местных первичных сетей этой зоны. Зона нумерации, как правило, совпадает с административными границами области.
Совокупность внутризоновой первичной и местных первичных сетей на территории, совпадающей с зоной нумерации, образует зоновую первичную сеть.
Часть первичной сети, соединяющая между собой типовые групповые тракты, а также типовые каналы передачи внутризоновых первичных сетей на всей территории страны, образует магистральную первичную сеть.
Сетевым узлам и линиям передачи присваиваются наименования в соответствии с тем, какой первичной сети они принадлежат.
Важным понятием, относящимся к первичным сетям, является система передачи, под которой понимается совокупность линейного тракта, типовых групповых трактов и каналов передачи первичной сети. Система передачи включает станции системы передачи и среду распространения.
АГО - аппаратура группообразования; АУ - аппаратура уплотнения; УДК - устройство долговременной коммутации; СУ - сетевой узел; ТКП - типовой канал передачи
В системах передачи с частотным разделением каналов (ЧРК) для передачи сигналов по каждому из каналов выделяется определенная полоса частот. Системы передачи, в которых для передачи сигналов по каждому из каналов в линейном тракте отводятся определенные интервалы времени, называются системами с временным разделением каналов (ВРК).
На современном этапе в магистральных первичных сетях большее распространение имеют системы с частотным разделением каналов. Системы с временным делением внедряются преимущественно в местных первичных сетях.
Основными характеристиками первичных сетей независимо от используемых систем передачи являются:
структура, определяющая взаимное расположение сетевых узлов станций и линий передачи без учета их положения на местности;
топология - структура с учетом реального положения на местности;
мощность, определяемая числом типовых каналов или суммарной шириной спектра частот всех каналов связи в линии передачи;
живучесть, которая определяет устойчивость линий передачи и узлов первичной сети к повреждениям.
Устойчивость от повреждений определяется технической надежностью оборудования, устойчивостью от стихийных бедствий и рядом других факторов.
Вторичные сети. Технические комплексы сетей передачи данных
Первичные сети служат основой для создания различного рода вторичных сетей. Вторичные сети, создаваемые для различных ведомств, называются ведомственными. В этом случае на первичной сети выделяются группы каналов, по которым передаются все виды информации в интересах системы управления, относящейся к,какому-либо ведомству. Например, на общегосударственной первичной сети может быть организована вторичная сеть, обеспечивающая управление некоторой отраслью народного хозяйства. Каналы такой вторичной сети используются для передачи всех видов информации .
По виду передаваемой информации различают, например, вторичные сети телеграфной связи, передачи данных, автоматической междугородной телефонной связи .
Ведомственные вторичные сети в ряде случаев также разделяются по виду передаваемой информации.
На рис. 1.7 показан возможный вариант образования ведомственных вторичных сетей.
На базе каналов общегосударственной сети Министерства связи СССР и каналов, образованных подвижными и стационарными средствами ведомства, создается первичная сеть для системы управления этого ведомства. Данная первичная сеть служит основой для создания вторичных сетей по видам передаваемой информации. Таким образом, сеть передачи данных является вторичной сетью первичной сети соответствующего ведомства.
Иногда совокупность вторичных сетей по видам передаваемой информации называют информационной сетью системы управления ведомства.
Сеть передачи данных включает ряд технических комплексов, к одному из которых относится совокупность средств, образующих каналы связи первичной сети, выделенные для создания сети ПД. Выделенные каналы первичной сети обеспечивают лишь потенциальную возможность передачи информации, однако для ее реализации в соответствии с потребностями АСУ необходимо введение ряда дополнительных комплексов. К ним относятся:
1. Комплекс средств, обеспечивающих образование каналов ПД на основе каналов первичной сети. Данный комплекс реализуется в виде совокупности отдельных образцов аппаратуры передачи данных (АПД), каждый из которых обеспечивает образование одного канала ПД и работает по фиксированному алгоритму. Такая реализация называется аппаратурной.
В ряде случаев используется программно-аппаратурная реализация, при которой часть функции АПД выполняется программными методами в специализированных или универсальных ЭВМ.
2. Комплекс технических средств, обеспечивающий целенаправленную передачу сообщений между абонентами сети при выполнении требований АСУ к вероятностно-временным характеристикам задержки. Этот комплекс реализуется как совокупность коммутационных станций и узлов коммутации каналов и сообщений вместе с их программным обеспечением.
3. Комплекс средств контроля состояния технических средств и управления сетью ПД, представляющий собой совокупность организационных и технических служб, а также технических и программных средств, обеспечивающих функционирование сети ПД в изменяющихся условиях.
4. Комплекс средств сопряжения ПД, представляющий собой совокупность устройств и алгоритмов, обеспечивающих электрическое, логическое, кодовое и алгоритмическое согласования различных элементов сети ПД, а также элементов сети с техническими средствами источников и потребителей информации.
Элементы перечисленных комплексов рассредоточены в сети и условно могут быть объединены в проблемно-ориентированные модули (рис. 1.8), каждый из которых выполняет строго определенные задачи по передаче данных и взаимодействию с другими модулями, вычислительной системой, банком данных и терминалами. Независимо от выполняемых функций модули называются функциональными единицами сети (ФЕС).
Модуль связи вычислительной системы (или банка данных) с сетью (СВС) осуществляет взаимодействие между разнородными ЭВМ и сетью ПД. Модуль связи терминала с сетью (СТС) обеспечивает взаимодействие между различными группами терминалов и другими элементами сети. Модуль коммуникационных функций сети (КФС), представляющий собой совокупность узлов
коммутации, обеспечивает доставку информации от отправителя к получателю по каналам первичной сети.
Технические и программные средства ФЕС вместе с их взаимосвязями образуют архитектуру модуля, определяющим для которой является реализованный в сети способ коммутации. В настоящее время ряд модификаций способов коммутации каналов и коммутации сообщений (рис. 1.9) рассматривается в качестве самостоятельных.
Любая из версий коммутации каналов предусматривает два этапа. На первом этапе образуется цепочка из последовательно соединенных каналов связи между абонентами. На втором этапе осуществляется передача информации.
В зависимости от типа каналов, используемых при построении цепочки, можно выделить коммутацию: непрерывных каналов, образованных системами с частотным уплотнением; цифровых каналов, образованных системами с временным уплотнением, и каналов ПД.
При коммутации сообщений реального соединения абонентов не происходит, а информация в виде формализованных сообщений
передается по маршрутам, состоящим из последовательных трактов ПД. Если на некотором этапе тракт занят или находится в состоянии отказа, то сообщение ожидает момента, когда он освободится или будет восстановлен.
Коммутация сообщений реализуется либо в чистом виде, либо как коммутация пакетов. Различают два режима коммутации пакетов: датаграммный и виртуальных соединений.
В сетях с коммутацией датаграмм сообщение, поступая от источника на первый же узел коммутации, разбивается на блоки, к каждому из которых добавляется необходимая служебная информация для передачи по сети. Получаемые таким образом блоки называются пакетами, кодограммами или датаграммами, имеют статус самостоятельных сообщений в сети и передаются по ней независимо друг от друга, возможно, по различным маршрутам.
В узле коммутации (УК), к которому подключен получатель, пакеты одного сообщения накапливаются в общем случае произвольно, что делает необходимым их упорядоченную сшивку перед выдачей абоненту-получателю. При этом возможны так называемые компоновочные блокировки памяти узла, при которых его запоминающие устройства оказываются занятыми несобранными сообщениями и соответственно не могут освободиться, а недостающие пакеты не могут из-за этого быть приняты.
В сетях с виртуальными соединениями перед передачей сообщения между абонентами устанавливается фиксированный маршрут. С этой целью абонентом-отправителем в сопряженный узел коммутации дается заявка на организацию соединения. Сопряженный узел определяет маршрут передачи и выдает команды во все промежуточные центры. Команды содержат номер соединения и номер исходящего тракта для этого соединения. Одновременно по одному и тому же каналу сети организуется несколько соединений с выделением для передачи в каждом направлении определенных временных позиций - виртуального канала, который закрепляется либо жестко, либо по методу статистического уплотнения.
Между соседними УК непрерывно передаются кадры, содержащие пакеты сообщений, сопровождаемые номером соединения. Размеры пакетов могут быть различными. Если в какой-либо момент времени нет очередного пакета для передачи по некоторому виртуальному каналу, то его временная позиция может заниматься пакетом другого сообщения, где пакеты в избытке. В каждом узле коммутации производится разборка пакетов информации для их перераспределения по исходящим виртуальным каналам в соответствии с номерами этих каналов.
При использовании виртуальных соединений пакеты, принадлежащие одному сообщению, поступают последовательно, что снимает проблему их упорядоченной сшивки и опасность компоновочной блокировки.
Ряд исследований, проведенных в последние годы с целью сравнения способов коммутации, а также опыт эксплуатации
сетей ПД позволяют сформулировать следующие наиболее общие рекомендации:
1. С точки зрения эффективности использования каналов коммутация сообщений предпочтительнее, чем коммутация пакетов, которая в свою очередь предпочтительнее коммутации каналов. Преимущество коммутации сообщений по сравнению с коммутацией каналов проявляется значительнее в случае интенсивных потоков сообщений небольшого объема. Исходя из этого коммутация сообщений и коммутация пакетов используются в сетях при высоких интенсивностях! потоков сравнительно коротких сообщений. Коммутация каналов применяется при незначительных интенсивностях потоков сообщений большого объема.
2. При выборе между коммутацией пакетов и коммутацией сообщений следует исходить из того, что в сетях с коммутацией пакетов могут быть достигнуты значения задержки сообщений, в несколько раз меньшие, чем в сетях с коммутацией сообщений.
3. Коммутация пакетов или коммутация сообщений должна использоваться в сетях передачи данных при необходимости обеспечения многоадресных передач, приоритетного обслуживания сообщений, а также при высоких требованиях к надежности и верности доставки. Последнее объясняется наличием в таких сетях контроля и защиты от ошибок на всех этапах передвижения сообщений по сети. При этом следует учитывать, что приоритетное обслуживание и многоадресные передачи реализуемы только в датаграммном режиме сетей с пакетной (коммутацией.
Вопрос об использовании сетей ПД с коммутацией каналов в настоящее время достаточно не изучен, однако можно предположить, что такой режим окажется эффективным для передачи очень больших объемов информации при высоких требованиях к верности. В сетях с коммутацией первичных каналов обеспечить высокую верность достаточно сложно ввиду низкого качества составных каналов.
Если абоненты предъявляют различные требования к процессу передачи информации и потоки передаваемых ими сообщений имеют различные интенсивности и объемы, то может оказаться целесообразным совместное использование различных способов коммутации. При этом обычно предусматривается единый узел коммутации с предоставлением абонентам возможности самостоятельного выбора способа коммутации.
Лекция № 6. Компьютерные сети и Интернет.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.
1. Перечислите этапы решения задач с помощью компьютера.
2. Дайте трактовку понятия модель?
3. Назовите свойства модели.
4. Как классифицируются модели?
5. Чем отличаются информационные модели от математических моделей?
6. Какие типы информационных моделей выделяют при использовании информационных технологий в лингвистике?
7. Что понимается под термином «алгоритм»?
8. Приведите примеры алгоритмов?
9. Чем отличается исполнение алгоритма от его разработки?
10. Укажите возможные способы задания алгоритмов.
11. Каким свойствам должен удовлетворять алгоритм?
12. Дайте трактовки понятиям «данные», «программа» и «алгоритмический язык».
13. На какие две группы можно разделить задачи реализации информационных технологий?
Концепция вычислительных сетей является логическим результатом эволюции информационных технологий. Компьютерная сеть представляет собой коммуникационную систему, позволяющую пользователям совместно использовать ресурсы компьютеров, а также периферийных устройств (принтеров, плоттеров, дисков, модемов и др.), подключенных к сети. Компьютеры, составляющие сеть, территориально рассредоточены и связаны между собой каналами передачи данных. Поэтому сеть можно рассматривать как систему с распределенными по территории аппаратными, программными и информационными ресурсами.
По территориальному признаку вычислительные сети делятся на локальные, региональные, корпоративные и глобальные.
Локальная сеть - это высокоскоростная сеть, объединяющая компьютеры, установленные в одном помещении или в одном здании. Например, в здании университета могут быть объединены в локальную сеть несколько десятков компьютеров, установленных в различных учебных кабинетах.
Региональная сеть - это сеть, объединяющая компьютеры в пределах одного региона (города, страны, континента). Многие организации, заинтересованные в защите информации от несанкционированного доступа (например, военные ведомства, банки), создают собственные так называемые корпоративные сети. Корпоративная сеть может объединять тысячи и десятки тысяч компьютеров, размещенных в различных странах и городах. В качестве примера можно привести сеть корпорации Microsoft - MSN.
Потребности формирования единого мирового информационного пространства привели к созданию глобальной компьютерной сети Интернет. В настоящее время на десятках миллионов компьютеров, подключенных к Интернету, хранится громадный объем информации (файлы, документы и т. д.), и сотни миллионов людей пользуются информационными ресурсами этой сети.
Наличие глобальной компьютерной сети предоставляет пользователям реальную возможность быстрого и удобного доступа ко всей информации, накопленной человечеством за свою историю. Электронная компьютерная почта, компьютерные телеконференции и видеоконференции, поиск информации во Всемирной паутине стали повседневной практикой пользователей компьютеров.
Вычислительная сеть – это сложный комплекс взаимосвязанных и согласованно функционирующих программных и аппаратных компонентов. Изучение сети в целом предполагает знание принципов работы ее отдельных элементов: компьютеров, коммуникационного оборудования, операционных систем, сетевых приложений.
Весь комплекс программно-аппаратных средств сети может быть описан многослойной моделью. В основе любой сети лежит аппаратный слой стандартизованных компьютерных платформ. В настоящее время в сетях широко и успешно применяются компьютеры различных классов - от персональных компьютеров до суперЭВМ.
Второй слой – это коммуникационное оборудование. Коммуникационное устройство может представлять собой сложный специализированный мультипроцессор, который нужно конфигурировать, оптимизировать и администрировать.
Третьим слоем, образующим программную платформу сети, являются операционные системы (ОС). От того, какие концепции управления локальными и распределенными ресурсами положены в основу сетевой ОС, зависит эффективность работы всей сети.
Самым верхним слоем сетевых средств являются различные сетевые приложения, такие как сетевые базы данных, почтовые системы, средства архивирования данных, системы автоматизации коллективной работы и др.
Важной характеристикой компьютерной сети является ее топология – способ организации физических связей между компьютерами. Выбор топологии электрических связей существенно влияет на многие характеристики сети. Например, наличие резервных связей повышает надежность сети и делает возможным балансирование 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. Рассмотрим некоторые, наиболее часто встречающиеся топологии.
Полносвязная топология (рис. 11, а) соответствует сети, в которой каждый компьютер сети связан со всеми остальными. Несмотря на логическую простоту, этот вариант оказывается громоздким и неэффективным. Действительно, каждый компьютер в сети должен иметь большое количество коммуникационных портов, достаточное для связи с каждым из остальных компьютеров сети. Для каждой пары компьютеров должна быть выделена отдельная электрическая линия связи. Чаще этот вид топологии используется в многомашинных комплексах или глобальных сетях при небольшом количестве компьютеров.
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 (рис. 11, б). В сети с ячеистой топологией непосредственно связываются только те компьютеры, между которыми происходит интенсивный обмен данными, а для обмена данными между компьютерами, не соединенными прямыми связями, используются транзитные передачи через промежуточные узлы. Ячеистая топология допускает соединение большого количества компьютеров и характерна, как правило, для глобальных сетей.
Общая шина (рис. 11, в) является очень распространенной (а до недавнего времени самой распространенной) топологией для локальных сетей. В этом случае компьютеры подключаются к одному коаксиальному кабелю. Передаваемая информация может распространяться в обе стороны. Применение общей шины снижает стоимость проводки, унифицирует подключение различных модулей, обеспечивает возможность почти мгновенного широковещательного обращения ко всем станциям сети. Таким образом, основными преимуществами такой схемы являются дешевизна и простота разводки кабеля по помещениям. Самый серьезный недостаток общей шины заключается в ее низкой надежности: любой дефект кабеля или какого-нибудь из многочисленных разъемов полностью парализует всю сеть. Другим недостатком общей шины является ее невысокая производительность, так как при таком способе подключения в каждый момент времени только один компьютер может передавать данные в сеть. Поэтому пропускная способность канала связи всегда делится здесь между всеми узлами сети.
Топология звезда (рис. 11, г). В этом случае каждый компьютер подключается отдельным кабелем к общему устройству, называемому концентратором, который находится в центре сети. В функции концентратора входит направление передаваемой компьютером информации одному или всем остальным компьютерам сети. Главное преимущество этой топологии перед общей шиной – существенно большая надежность. Любые неисправности кабеля касаются лишь того компьютера, к которому этот кабель присоединен, и только неисправность концентратора может вывести из строя всю сеть. Кроме того, концентратор может играть роль интеллектуального фильтра информации, поступающей от узлов в сеть, и при необходимости блокировать запрещенные администратором передачи.
К недостаткам топологии типа звезда относится более высокая стоимость сетевого оборудования из-за необходимости приобретения концентратора. Кроме того, возможности по наращиванию количества узлов в сети ограничиваются количеством портов концентратора. Иногда имеет смысл строить сеть с использованием нескольких концентраторов, иерархически соединенных между собой связями типа звезда (рис. 11, д). В настоящее время иерархическая звезда является самым распространенным типом топологии связей как в локальных, так и глобальных сетях.
В сетях с кольцевой конфигурацией (рис. 11, е) данные передаются по кольцу от одного компьютера к другому, как правило, в одном направлении. Если компьютер распознает данные как «свои», то он копирует их себе во внутренний буфер. Кольцо представляет собой очень удобную конфигурацию для организации обратной связи - данные, сделав полный оборот, возвращаются к узлу-источнику. Поэтому этот узел может контролировать процесс доставки данных адресату.
Рис. 11. Типовые топологии 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. 3).
ВВЕДЕНИЕ.. 5
1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СЕТЕЙ.. 7
1.1. Функциональные возможности сетей. 7
1.2. Структурная организация компьютерной сети. 10
1.2.1. Сети разного масштаба. 10
1.2.2. Среды передачи данных. 10
1.2.3. Режимы передачи данных. 11
1.2.4. Способы коммутации. 12
1.2.5. Виртуальные каналы.. 13
2. АНАЛОГОВЫЕ КАНАЛЫ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ.. 14
2.1. Аналоговая модуляция. 14
2.2. Модемы.. 15
2.3. Протоколы, поддерживаемые модемами. 16
2.4. Режимы передачи. 17
2.5. Асинхронная, синхронная, изохронная и плезиохронная передача. 17
3. ЦИФРОВЫЕ КАНАЛЫ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ.. 19
3.1. Частотное и временное разделение каналов. 19
3.2. Проводные линии связи и их характеристики. 20
3.2.1. Витая пара. 20
3.2.2. Коаксиальный кабель. 22
3.2.3. Волоконно-оптический кабель. 24
3.3. Беспроводные среды передачи данных. 25
3.3.1. Инфракрасные волны.. 25
3.3.2. Радиоволны, сигналы с узкополосным спектром.. 25
3.3.3. Радиоволны, широкополосные сигналы.. 26
3.3.4. Спутниковая связь. 27
3.3.5. Сотовая связь. 28
4. ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ И КОДИРОВАНИЕ ИНФОРМАЦИИ.. 30
4.1. Количество информация и энтропия. 30
4.2. Свойства энтропии. 31
4.3. Единицы количества информации. 32
4.4. Кодирование информации. 32
4.5. Логическое кодирование. 35
4.6. Самосинхронизирующиеся коды.. 37
5. КОНТРОЛЬ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ И СЖАТИЕ ДАННЫХ.. 38
5.1. Самовосстанавливающиеся коды.. 38
5.2. Систематические коды.. 39
5.3. Алгоритмы сжатия данных. 39
5.3.1. Алгоритм RLE. 40
5.3.2. Алгоритм Лемпела-Зива. 40
5.3.3. Кодирование Шеннона-Фано. 41
5.3.4. Алгоритм Хаффмана. 41
6. СЕТЕВОЕ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ.. 43
6.1. Архитектура СПО.. 43
6.2. Основные принципы взаимосвязи открытых систем.. 44
7. МОДЕЛЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ... 45
7.1. Структура модели OSI. 45
7.2. Протоколы и интерфейсы.. 47
7.3. Уровни модели OSI. 48
7.3.1. Физический уровень. 48
7.3.2. Канальный уровень. 50
7.3.3. Сетевой уровень. 52
7.3.4. Транспортный уровень. 54
7.3.5. Сеансовый уровень. 54
7.3.6. Уровень представления. 55
7.3.7. Прикладной уровень. 55
7.4. Назначение уровней модели OSI. 55
8. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЕЙ.. 58
8.1. Сетевые топологии. 58
8.1.1. Шина. 58
8.1.2. Дерево. 59
8.1.3. Звезда с пассивным центром.. 59
8.1.4. Звезда с интеллектуальным центром.. 60
8.1.5. Кольцо. 60
8.1.6. Цепочка. 60
8.1.7. Полносвязная топология. 61
8.1.8. Произвольная (ячеистая) топология. 61
8.2. Методы доступа и их классификация. 62
8.2.1. Метод доступа с контролем несущей и определением коллизий. 63
8.2.2. Маркерные методы доступа. 63
9. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ СЕТЕВЫХ УСТРОЙСТВ.. 65
9.1. Сетевые адаптеры.. 65
9.2. Концентраторы.. 66
9.3. Мосты.. 68
9.4. Коммутаторы.. 71
9.5. Брандмауэры.. 73
10. СЕТИ TOKEN RING И FDDI. 76
10.1. Технология Token Ring.. 76
10.1.1. Маркерный метод доступа. 76
10.1.2. Система приоритетного доступа. 80
10.1.3. Оборудование Token Ring. 81
10.2. Технология FDDI. 82
11. ТЕХНОЛОГИЯ ETHERNET.. 84
11.1. Появление и сущность технологии Ethernet. 84
11.2. Форматы кадров Ethernet. 87
11.3. Высокоскоростные технологии локальных сетей. 91
11.3.1. Технология Fast Ethernet 100Мбит/с. 91
11.3.2. Технология Gigabit Ethernet 1000 Мбит/с. 93
11.3.3. Технология 100VG-AnyLAN.. 94
12. ТРЕБОВАНИЯ К СЕТЯМ... 96
12.1. Производительность. 96
12.2. Надежность и безопасность. 99
12.3. Расширяемость и масштабируемость. 100
12.4. Прозрачность. 101
12.5. Поддержка разных видов трафика. 102
12.6. Управляемость. 103
12.7. Совместимость. 104
12.8. Качество обслуживания. 104
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ... 108
ВВЕДЕНИЕ
Последнее десятилетие XX века можно с большим основанием назвать десятилетием компьютерных сетей. В коммерческих фирмах и государственных учреждениях, учебных заведениях и даже дома все реже можно встретить компьютеры, никаким образом не связанные с другими. Если для предприятий и организаций наиболее важным оказалось развертывание локальных сетей, то домашних пользователей все больше привлекают глобальные сети - Интернет, иногда FIDO.
Два-три десятилетия назад только крупная организация могла позволить себе приобрести хотя бы один компьютер, потому что он стоил сотни тысяч долларов, требовал много места для размещения, и необходим был квалифицированный, а значит, высокооплачиваемый, обслуживающий персонал. Как правило, компьютеры тогда работали в пакетном режиме, пользователь (обычно программист) мог вообще никогда и не увидеть ЭВМ, выполняющую его задачи. Программы записывались на специальных бланках, по которым операторы готовили перфокарты, наконец, программу в виде колоды перфокарт нужно было отдать системному администратору, который ставил задание в очередь и, после его выполнения, отдавал распечатку с результатами.
Такой режим нельзя назвать удобным (хотя именно в таком режиме эффективность работы компьютера максимальна), и лет через десять появились терминалы – устройства, включавшие в себя дисплей и клавиатуру. Терминал подключался к центральному компьютеру кабелем. Первые терминалы были малоинтеллектуальными, их даже называли "тупыми" (dumb): все, что они умели делать – это сообщить центральному компьютеру, какая клавиша нажата и, приняв от него управляющую команду, отобразить символ на дисплее. (В качестве терминалов поначалу использовали устройства телексной связи – телетайпы, отсюда и небогатый набор их возможностей.) Чуть позже поняли, что если терминал снабдить своим простеньким процессором и оперативной памятью, то самому центральному компьютеру придется меньше заниматься непродуктивной работой.
Также оказалось удобно, если терминал стоит на столе у человека, который им пользуется, даже если этот стол находится не в том же здании, что и центральный компьютер. Так появились модемы, предоставившие терминалам возможность связываться со своими центральными компьютерами по телефонным сетям.
До сих пор информационные и финансовые агентства (например, Reiter и Bloomberg) предоставляют доступ к своей информации именно с помощью терминалов. Именно из решения проблем связи терминалов с центральными компьютерами и выросла вся индустрия сетей передачи данных.
Надо понимать, что на западе до сих пор очень остро стоит проблема "унаследованных" (inherited) систем: многие крупные организации до сих пор в своей работе используют мэйнфреймы и терминалы, и критическая масса их данных находится именно там. В то же время в России массовая компьютеризация началась в конце 1980-х годов и почти целиком опиралась на IBM PC-совместимые персональные компьютеры. Только в редких крупных организациях необходимость объемных вычислений и/или повышенные требования к надежности приводили к использованию "больших" ЭВМ, таких, как IBM AS/400, различные серверы и рабочие станции фирмы Sun и т.п. Компьютеры же класса IBM System/360 (ЕС ЭВМ), до такой степени распространенные на западе, что фирма Microsoft включила в состав своего пакета серверных приложений BackOffice сервер связи с такими компьютерами (SNA Server), в России практически прекратили существование.
Обычная дорога к сетям для наших организаций и фирм выглядела так: есть несколько IBM PC – совместимых компьютеров. На них вводятся тексты, строятся таблицы, выполняются расчеты. Текстовые файлы, файлы электронных таблиц, рисунков, данные и результаты расчетов постоянно нужно переносить с компьютера на компьютер. Для этого пользуются дискетами. Пока объемы данных невелики, и обрабатывать эти данные можно по очереди, особых проблем не возникает. Однако вскоре появляется желание, например, собрать все данные о продажах в базу данных, и сделать так, чтобы несколько продавцов могли одновременно выписывать счета и фиксировать оплаты товара так, чтобы остальные сразу видели эти новые счета и записи об оплатах. Бегать с дискетой после каждого выписанного счета – нереально. И тут выясняется, что можно приобрести недорогие сетевые карты для каждого из компьютеров, соединить их кабелем, установить специальное сетевое программное обеспечение, и проблема может быть решена. Это путь "от удобства".
Другой путь к сетям лежит "от экономии". Зачем нужно тратить деньги на несколько полноценных компьютеров для машинисток, если можно приобрести один компьютер помощнее, с большим объемом дисковой памяти, несколько машин совсем без жестких дисков, и соединить их в сеть. Тогда более слабые компьютеры смогут пользоваться дисковым пространством более мощного компьютера. Вот и экономия – стоимость нескольких жестких дисков заметно больше стоимости требуемого сетевого оборудования. Наконец, путь "от моды". Когда все знакомые, соседи и конкуренты уже поставили себе локальные сети, то, наверное, в этом есть какой-то смысл. И хотя насущной необходимости пока нет, стоит держаться в русле технического прогресса. Как правило, и в этом случае оказывается, что сеть помогает упростить жизнь и приносит пользу.
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СЕТЕЙ
©2015-2019 сайт
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-02-16
ЛОКАЛЬНЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СЕТИ (ЛКС)
ГЛОБАЛЬНЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ
ВВЕДЕНИЕ
На сегодняшний день в мире существует более 130 миллионов компьютеров и более 80 % из них объединены в различные информационно-вычислительные сети от малых локальных сетей в офисах до глобальных сетей типа Internet, FidoNet, FREEnet и т.д. Всемирная тенденция к объединению компьютеров в сети обусловлена рядом важных причин, таких как ускорение передачи информационных сообщений, возможность быстрого обмена информацией между пользователями, получение и передача сообщений (факсов, E–Mail писем, электронных конференций и т.д.) не отходя от рабочего места, возможность мгновенного получения любой информации из любой точки земного шара, а так же обмен информацией между компьютерами разных фирм производителей работающих под разным программным обеспечением.
Такие огромные потенциальные возможности, которые несет в себе вычислительная сеть и тот новый потенциальный подъем, который при этом испытывает информационный комплекс, а так же значительное ускорение производственного процесса не дают нам право игнорировать и не применять их на практике.
Зачастую возникает необходимость в разработке принципиального решения вопроса по организации ИВС (информационно–вычислительной сети) на базе уже существующего компьютерного парка и программного комплекса, отвечающей современным научно–техническим требованиям с учетом возрастающих потребностей и возможностью дальнейшего постепенного развития сети в связи с появлением новых технических и программных решений.
ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ
Компьютерная сеть – это совокупность компьютеров и различных устройств, обеспечивающих информационный обмен между компьютерами в сети без использования каких-либо промежуточных носителей информации.
Все многообразие компьютерных сетей можно классифицировать по группе признаков:
1) Территориальная распространенность;
2) Ведомственная принадлежность;
3) Скорость передачи информации;
4) Тип среды передачи;
По территориальной распространенности сети могут быть локальными, глобальными, и региональными. Локальные – это сети, перекрывающие территорию не более 10 м 2 , региональные – расположенные на территории города или области, глобальные на территории государства или группы государств, например, всемирная сеть Internet.
По принадлежности различают ведомственные и государственные сети. Ведомственные принадлежат одной организации и располагаются на ее территории. Государственные сети – сети, используемые в государственных структурах.
По скорости передачи информации компьютерные сети делятся на низко-, средне- и высокоскоростные.
По типу среды передачи разделяются на сети коаксиальные, на витой паре, оптоволоконные, с передачей информации по радиоканалам, в инфракрасном диапазоне.
Компьютеры могут соединяться кабелями, образуя различную топологию сети (звездная, шинная, кольцевая и др.).
Следует различать компьютерные сети и сети терминалов (терминальные сети). Компьютерные сети связывают компьютеры, каждый из которых может работать и автономно. Терминальные сети обычно связывают мощные компьютеры (майнфреймы), а в отдельных случаях и ПК с устройствами (терминалами), которые могут быть достаточно сложны, но вне сети их работа или невозможна, или вообще теряет смысл. Например, сеть банкоматов или касс по продажи авиабилетов. Строятся они на совершенно иных, чем компьютерные сети, принципах и даже на другой вычислительной технике.
В классификации сетей существует два основных термина: LAN и WAN.
LAN (Local Area Network) – локальные сети, имеющие замкнутую инфраструктуру до выхода на поставщиков услуг. Термин «LAN» может описывать и маленькую офисную сеть, и сеть уровня большого завода, занимающего несколько сотен гектаров. Зарубежные источники дают даже близкую оценку – около шести миль (10 км) в радиусе; использование высокоскоростных каналов.
WAN (Wide Area Network) – глобальная сеть, покрывающая большие географические регионы, включающие в себя как локальные сети, так и прочие телекоммуникационные сети и устройства. Пример WAN – сети с коммутацией пакетов (Frame Relay), через которую могут «разговаривать» между собой различные компьютерные сети.
Термин «корпоративная сеть» также используется в литературе для обозначения объединения нескольких сетей, каждая из которых может быть построена на различных технических, программных и информационных принципах.
Рассмотренные выше виды сетей являются сетями закрытого типа, доступ к ним разрешен только ограниченному кругу пользователей, для которых работа в такой сети непосредственно связана с их профессиональной деятельностью. Глобальные сети ориентированы на обслуживание любых пользователей.
На рисунке 1, рассмотрим способы коммутации компьютеров и виды сетей.
Рисунок 1 - Способы коммутации компьютеров и виды сетей.
ЛОКАЛЬНЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ (ЛКС)
Классификация ЛКС
Локальные вычислительные сети подразделяются на два кардинально различающихся класса: одноранговые (одноуровневые или Peer to Peer) сети и иерархические (многоуровневые).
Одноранговые сети.
Одноранговая сеть представляет собой сеть равноправных компьютеров, каждый из которых имеет уникальное имя (имя компьютера) и обычно пароль для входа в него во время загрузки ОС. Имя и пароль входа назначаются владельцем ПК средствами ОС. Одноранговые сети могут быть организованы с помощью таких операционных систем, как LANtastic, Windows’3.11, Novell NetWare Lite. Указанные программы работают как с DOS, так и с Windows. Одноранговые сети могут быть организованы также на базе всех современных 32-разрядных операционных систем – Windows’95 OSR2, Windows NT Workstation версии, OS/2) и некоторых других.
Иерархические сети.
В иерархических локальных сетях имеется один или несколько специальных компьютеров – серверов, на которых хранится информация, совместно используемая различными пользователями.
Сервер в иерархических сетях – это постоянное хранилище разделяемых ресурсов. Сам сервер может быть клиентом только сервера более высокого уровня иерархии. Поэтому иерархические сети иногда называются сетями с выделенным сервером. Серверы обычно представляют собой высокопроизводительные компьютеры, возможно, с несколькими параллельно работающими процессорами, с винчестерами большой емкости, с высокоскоростной сетевой картой (100 Мбит/с и более). Компьютеры, с которых осуществляется доступ к информации на сервере, называются станциями или клиентами.
ЛКС классифицируются по назначению:
· Сети терминального обслуживания. В них включается ЭВМ и периферийное оборудование, используемое в монопольном режиме компьютером, к которому оно подключается, или быть общесетевым ресурсом.
· Сети, на базе которых построены системы управления производством и учрежденческой деятельности. Они объединяются группой стандартов МАР/ТОР. В МАР описываются стандарты, используемые в промышленности. ТОР описывают стандарты для сетей, применяемых в офисных сетях.
· Сети, которые объединяют системы автоматизации, проектирования. Рабочие станции таких сетей обычно базируются на достаточно мощных персональных ЭВМ, например фирмы Sun Microsystems.
· Сети, на базе которых построены распределенные вычислительные системы.
По классификационному признаку локальные компьютерные сети делятся на кольцевые, шинные, звездообразные, древовидные;
по признаку скорости – на низкоскоростные (до 10 Мбит/с), среднескоростные (до 100 Мбит/с), высокоскоростные (свыше 100 Мбит/с);
по типу метода доступа – на случайные, пропорциональные, гибридные;
по типу физической среды передачи – на витую пару, коаксиальный или оптоволоконный кабель, инфракрасный канал, радиоканал.
Структура ЛКС
Способ соединения компьютеров называется структурой или топологией сети. Сети Ethernet могут иметь топологию «шина» и «звезда». В первом случае все компьютеры подключены к одному общему кабелю (шине), во втором - имеется специальное центральное устройство (хаб), от которого идут «лучи» к каждому компьютеру, т.е. каждый компьютер подключен к своему кабелю.
Структура типа «шина», рисунок 2(а), проще и экономичнее, так как для нее не требуется дополнительное устройство и расходуется меньше кабеля. Но она очень чувствительна к неисправностям кабельной системы. Если кабель поврежден хотя бы в одном месте, то возникают проблемы для всей сети. Место неисправности трудно обнаружить.
В этом смысле «звезда», рисунок 2(б), более устойчива. Поврежденный кабель – проблема для одного конкретного компьютера, на работе сети в целом это не сказывается. Не требуется усилий по локализации неисправности.
В сети, имеющей структуру типа «кольцо», рисунок 2(в), информация передается между станциями по кольцу с переприемом в каждом сетевом контроллере. Переприем производится через буферные накопители, выполненные на базе оперативных запоминающих устройств, поэтому при выходе их строя одного сетевого контроллера может нарушиться работа всего кольца.
Достоинство кольцевой структуры – простота реализации устройств, а недостаток – низкая надежность.
Все рассмотренные структуры – иерархические. Однако, благодаря использованию мостов, специальных устройств, объединяющих локальные сети с разной структурой, из вышеперечисленных типов структур могут быть построены сети со сложной иерархической структурой.
| а) б) в) |  |
Рисунок 2 – структура построения (а) шина, (б) кольцо, (в) звезда
Физическая среда передачи в локальных сетях
Весьма важный момент – учет факторов, влияющих на выбор физической среды передачи (кабельной системы). Среди них можно перечислить следующие:
1) Требуемая пропускная способность, скорость передачи в сети;
2) Размер сети;
3) Требуемый набор служб (передача данных, речи, мультимедиа и т.д.), который необходимо организовать.
4) Требования к уровню шумов и помехозащищенности;
5) Общая стоимость проекта, включающая покупку оборудования, монтаж и последующую эксплуатацию.
Основная среда передачи данных ЛКС – неэкранированная витая пара, коаксиальный кабель, многомодовое оптоволокно. При примерно одинаковой стоимости одномодового и многомодового оптоволокна, оконечное оборудование для одномодового значительно дороже, хотя и обеспечивает большие расстояния. Поэтому в ЛКС используют, в основном, многомодовую оптику.
Основные технологии ЛКС: Ethernet, ATM. Технологии FDDI (2 кольца), применявшаяся ранее для опорных сетей и имеющая хорошие характеристики по расстоянию, скорости и отказоустойчивости, сейчас мало используется, в основном, из-за высокой стоимости, как, впрочем, и кольцевая технология Token Ring, хотя обе они до сих пор поддерживаются на высоком уровне всеми ведущими вендорами, а в отдельных случаях (например, применение FDDI для опорной сети масштаба города, где необходима высокая отказоустойчивость и гарантированная доставка пакетов) использование этих технологий все еще может быть оправданным.
Типы ЛКС
Ethernet – изначально коллизионная технология, основанная на общей шине, к которой компьютеры подключаются и «борются» между собой за право передачи пакета. Основной протокол – CSMA/CD (множественный доступ с чувствительностью несущей и обнаружению коллизий). Дело в том, что если две станции одновременно начнут передачу, то возникает ситуация коллизии, и сеть некоторое время «ждет», пока «улягутся» переходные процессы и опять наступит «тишина». Существует еще один метод доступа – CSMA/CA (Collision Avoidance) – то же, но с исключением коллизий. Этот метод применяется в беспроводной технологии Radio Ethernet или Apple Local Talk – перед отправкой любого пакета в сети пробегает анонс о том, что сейчас будет происходить передача, и станции уже не пытаются ее инициировать.
Ethernet бывает полудуплексный (Half Duplex), по всем средам передачи: источник и приемник «говорит по очереди» (классическая коллизионная технология) и полнодуплексный (Full Duplex), когда две пары приемника и передатчика на устройствах говорят одновременно. Этот механизм работает только на витой паре (одна пара на передачу, одна пара на прием) и на оптоволокне (одна пара на передачу, одна пара на прием).
Ethernet различается по скоростям и методам кодирования для различной физической среды, а также по типу пакетов (Ethernet II, 802.3, RAW, 802.2 (LLC), SNAP).
Ethernet различается по скоростям: 10 Мбит/с, 100 Мбит/с, 1000 Мбит/с (Гигабит). Поскольку недавно ратифицирован стандарт Gigabit Ethernet для витой пары категории 5, можно сказать, что для любой сети Ethernet могут быть использованы витая пара, одномодовое (SMF) или многомодовое (MMF) оптоволокно. В зависимости от этого существуют различные спецификации:
· 10 Мбит/с Ethernet: 10BaseT, 10BaseFL, (10Base2 и 10Base5 существуют для коаксиального кабеля и уже не применяются);
· 100 Мбит/с Ethernet: 100BaseTX, 100BaseFX, 100BaseT4, 100BaseT2;
· Gigabit Ethernet: 1000BaseLX, 1000BaseSX (по оптике) и 1000BaseTX (для витой пары)
Существуют два варианта реализации Ethernet на коаксиальном кабеле, называемые «тонкий» и «толстый» Ethernet (Ethernet на тонком кабеле 0,2 дюйма и Ethernet на толстом кабеле 0,4 дюйма).
Тонкий Ethernet использует кабель типа RG-58A/V (диаметром 0,2 дюйма). Для маленькой сети используется кабель с сопротивлением 50 Ом. Коаксиальный кабель прокладывается от компьютера к компьютеру. У каждого компьютера оставляют небольшой запас кабеля на случай возможности его перемещения. Длина сегмента 185 м, количество компьютеров, подключенных к шине – до 30.
После присоединения всех отрезков кабеля с BNC-коннекторами (Bayonel-Neill-Concelnan) к Т-коннекторам (название обусловлено формой разъема, похожей на букву «Т») получится единый кабельный сегмент. На его обоих концах устанавливаются терминаторы («заглушки»). Терминатор конструктивно представляет собой BNC-коннектор (он также надевается на Т-коннектор) с впаянным сопротивлением. Значение этого сопротивления должно соответствовать значению волнового сопротивления кабеля, т.е. для Ethernet нужны терминаторы с сопротивлением 50 Ом.
Толстый Ethernet – сеть на толстом коаксиальном кабеле, имеющем диаметр 0,4 дюйма и волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина кабельного сегмента – 500 м.
Прокладка самого кабеля почти одинакова для всех типов коаксиального кабеля.
Для подключения компьютера к толстому кабелю используется дополнительное устройство, называемое трансивером. Трансивер подсоединен непосредственно к сетевому кабелю. От него к компьютеру идет специальный трансиверный кабель, максимальная длина которого 50 м. На обоих его концах находятся 15-контактные DIX-разъемы (Digital, Intel и Xerox). С помощью одного разъема осуществляется подключение к трансиверу, с помощью другого – к сетевой плате компьютера.
Трансиверы освобождают от необходимости подводить кабель к каждому компьютеру. Расстояние от компьютера до сетевого кабеля определяется длиной трансиверного кабеля.
Создание сети при помощи трансивера очень удобно. Он может в любом месте в буквальном смысле «пропускать» кабель. Эта простая процедура занимает мало времени, а получаемое соединение оказывается очень надежным.
Кабель не режется на куски, его можно прокладывать, не заботясь о точном месторасположении компьютеров, а затем устанавливать трансиверы в нужных местах. Крепятся трансиверы, как правило, на стенах, что предусмотрено их конструкцией.
При необходимости охватить локальной сетью площадь большую, чем это позволяют рассматриваемые кабельные системы, применяется дополнительные устройства – репитеры (повторители). Репитер имеет 2-портовое исполнение, т.е. он может объединить 2 сегмента по 185 м. Сегмент подключается к репитеру через Т-коннектор. К одному концу Т-коннектора подключается сегмент, а на другом ставится терминатор.
В сети может быть не больше четырех репитеров. Это позволяет получить сеть максимальной протяженностью 925 м.
Существуют 4-портовые репитеры. К одному такому репитеру можно подключить сразу 4 сегмента.
Длина сегмента для Ethernet на толстом кабеле составляет 500 м, к одному сегменту можно подключить до 100 станций. При наличии трансиверных кабелей до 50 м длиной, толстый Ethernet может одним сегментом охватить значительно большую площадь, чем тонкий. Эти репитеры имеют DIX-разъемы и могут подключаться трансиверами, как к концу сегмента, так и в любом другом месте.
Очень удобны совмещенные репитеры, т.е. подходящие и для тонкого и для толстого кабеля. Каждый порт имеет пару разъемов: DIX и BNC, но он не могут быть задействованы одновременно. Если необходимо объединять сегменты на разном кабеле, то тонкий сегмент подключается к BNC-разъему одного порта репитера, а толстый – к DIX-разъему другого порта.
Репитеры очень полезны, но злоупотреблять ими не стоит, так как они приводят к замедлению работы в сети.
Ethernet на витой паре.
Витая пара – это два изолированных провода, скрученных между собой. Для Ethernet используется 8-жильный кабель, состоящий из четырех витых пар. Для защиты от воздействия окружающей среды кабель имеет внешнее изолирующее покрытие.
Основной узел на витой паре – hub (в переводе называется накопителем, концентратором или просто хаб). Каждый компьютер должен быть подключен к нему с помощью своего сегмента кабеля. Длина каждого сегмента не должна превышать 100 м. На концах кабельных сегментов устанавливаются разъемы RJ-45. Одним разъемом кабель подключается к хабу, другим – к сетевой плате. Разъемы RJ-45 очень компактны, имеют пластмассовый корпус и восемь миниатюрных площадок.
Хаб – центральное устройство в сети на витой паре, от него зависит ее работоспособность. Располагать его надо в легкодоступном месте, чтобы можно было легко подключать кабель и следить за индикацией портов.
Хабы выпускаются на разное количество портов – 8, 12, 16 или 24. Соответственно к нему можно подключить такое же количество компьютеров.
Главной целью объединения компьютеров в сеть было разделение ресурсов: пользователи компьютеров, подключенных к сети, или приложения, выполняемые на этих компьютерах, получают возможность доступа к ресурсам компьютеров сети, к таким как:
периферийные устройства, такие как диски, принтеры, плоттеры, сканеры и др.;
данные, хранящиеся в оперативной памяти или на внешних запоминающих устройствах;
вычислительная мощность.
Сетевые интерфейсы
Для связи устройств в них, прежде всего, должны быть предусмотрены внешние интерфейсы.
Интерфейс - в широком смысле - формально определенная логическая и/или физическая граница между взаимодействующими независимыми объектами. Интерфейс задает параметры, процедуры и характеристики взаимодействия объектов.
Разделяют физический и логический интерфейсы
Физический интерфейс (называемый также портом) - определяется набором электрических связей и характеристиками сигналов. Обычно он представляет собой разъем с набором контактов, каждый из которых имеет определенное назначение.
Логический интерфейс (называемый также протоколом) - это набор информационных сообщений определенного формата, которыми обмениваются два устройства или две программы, а также набор правил, определяющих логику обмена этими сообщениями.
Рис. 2.2. Совместное использование принтера в компьютерной сети
Интерфейс компьютер-компьютер позволяет двум компьютерам обмениваться информацией. С каждой стороны он реализуется парой:
аппаратным модулем, называемым сетевым адаптером, или сетевой интерфейсной картой;
драйвером сетевой интерфейсной карты - специальной программой, управляющей работой сетевой интерфейсной карты.
Интерфейс компьютер-периферийное устройство (в данном случае интерфейс компьютер-принтер) позволяет компьютеру управлять работой периферийного устройства (ПУ), Этот интерфейс реализуется:
со стороны компьютера - интерфейсной картой и драйвером ПУ (принтера), подобным сетевой интерфейсной карте и ее драйверу;
со стороны ПУ - контроллером ПУ (принтера), обычно представляющий собой аппаратное устройство, принимающее от компьютера как данные, например байты информации, которую нужно распечатать на бумаге, так и команды, которые он отрабатывает, управляя электромеханическими частями периферийного устройства, например, выталкивая лист бумаги из принтера или перемещая магнитную головку диска.
Проблемы связи нескольких компьютеров
Топология физических связей
Объединяя в сеть несколько (больше двух) компьютеров, необходимо решить, каким образом соединить их друг с другом, иначе, выбрать конфигурацию физических связей, или топологию.
Под топологией сети понимается конфигурация графа, вершинам которого соответствуют конечные узлы сети (например, компьютеры) и коммуникационное оборудование (например, маршрутизаторы), а ребрам - физические или информационные связи между вершинами.
Можно соединять каждый компьютер с каждым или же связывать их последовательно, предполагая, что они будут общаться, передавая сообщения друг другу «транзитом». В качестве транзитного узла может выступать как универсальный компьютер, так и специализированное устройство.
От выбора топологии связей существенно зависят характеристики сети:
наличие между узлами нескольких путей повышает надежность сети и делает возможным распределение нагрузки между отдельными каналами.
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 не полносвязные.
Полносвязная топология соответствует сети, в которой каждый компьютер непосредственно связан со всеми остальными. Этот вариант оказывается громоздким и неэффективным. В таком случае каждый компьютер в сети должен иметь большое количество коммуникационных портов. Полносвязные топологии в крупных сетях применяются редко. Чаще этот вид топологии используется в многомашинных комплексах или в сетях, объединяющих небольшое количество компьютеров.
Рис. 2.10. Типовые топологии сетей
Все другие варианты основаны на неполносвязных топологиях, когда для обмена данными между двумя компьютерами может потребоваться транзитная передача данных через другие узлы сети.
Кольцевая топология. Данные передаются по кольцу от одного компьютера к другому. Главным достоинством кольца является то, что оно по своей природе обеспечивает резервирование связей. Данные в кольце, сделав полный оборот, возвращаются к узлу-источнику. Поэтому источник может контролировать процесс доставки данных адресату. Это свойство 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 какого-либо компьютера не прерывался канал связи между остальными узлами кольца.
Звездообразная топология образуется в случае, когда каждый компьютер подключается непосредственно к общему центральному устройству, называемому концентратором. В функции концентратора входит направление передаваемой компьютером информации одному или всем остальным компьютерам сети. В качестве концентратора может выступать как универсальный компьютер, так и специализированное устройство. Недостатки звездообразной топологии: более высокая стоимость сетевого оборудования из-за необходимости приобретения специализированного центрального устройства; возможности по наращиванию количества узлов в сети ограничиваются количеством портов концентратора.
Иногда имеет смысл строить сеть с использованием нескольких концентраторов, иерархически соединенных между собой звездообразными связями. Получаемую в результате структуру называют иерархической звездой, или деревом. В настоящее время дерево является самой распространенной топологией связи, как в локальных, так и глобальных сетях.
Особым частным случаем звезды является общая шина. Здесь в качестве центрального элемента выступает пассивный кабель (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 компьютерам, присоединенным к этому кабелю. Достоинства: дешевизна и простота присоединения новых узлов к сети, а недостатками - низкая надежность (любой дефект кабеля полностью парализует всю сеть) и невысокая производительность (в каждый момент времени только один компьютер может передавать данные по сети, поэтому пропускная способность делится здесь между всеми узлами сети).
Рис. 2.11. Смешанная топология
Небольшие сети 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.
Адресация узлов сети
Одной из проблем, которую нужно учитывать при объединении трех и более компьютеров, является проблема адресации, а именно адресации их сетевых интерфейсов. Один компьютер может иметь несколько сетевых интерфейсов. Например, для создания полносвязной структуры из N компьютеров необходимо, чтобы у каждого из них имелся N - 1 интерфейс.
По количеству адресуемых интерфейсов адреса можно классифицировать следующим образом:
уникальный адрес (unicast) используется для идентификации отдельных интерфейсов;
групповой адрес (multicast) идентифицирует сразу несколько интерфейсов, поэтому данные, помеченные групповым адресом, доставляются каждому из узлов, входящих в группу;
данные, направленные по широковещательному адресу (broadcast), должны быть доставлены всем узлам сети;
адрес произвольной рассылки (anycast), определенный в новой версии протокола IPv6, так же, как и групповой адрес, задает группу адресов, однако данные, посланные по этому адресу, должны быть доставлены не всем адресам данной группы, а любому из них.
Адреса могут быть числовыми (например, 129.26.255.255 или 81. la . ff . ff ) и символьными (site.domen.ru).
Символьные адреса (имена) удобные для восприятия человеком и поэтому обычно несут смысловую нагрузку.
Множество всех адресов, которые являются допустимыми в рамках некоторой схемы адресации, называется адресным пространством.
Адресное пространство может иметь плоскую (линейную) организацию или иерархическую организацию.
При плоской организации множество адресов никак не структурировано. Примером плоского числового адреса является МАС-адрес, предназначенный для однозначной идентификации сетевых интерфейсов в локальных сетях. Такой адрес обычно используется только аппаратурой и записывают в виде двоичного или шестнадцатеричного числа, например 0081005е24а8. MAC-адреса встраиваются в аппаратуру компанией-изготовителем, поэтому их называют также аппаратными адресами (hardware address).
При иерархической организации адресное пространство структурируется в виде вложенных друг в друга подгрупп, которые, последовательно сужая адресуемую область, в конце концов, определяют отдельный сетевой интерфейс.
Типичными представителями иерархических числовых адресов являются сетевые IP- и IPX-адреса. В них поддерживается двухуровневая иерархия, адрес делится на старшую часть - номер сети и младшую - номер узла. Такое деление позволяет передавать сообщения между сетями только на основании номера сети, а номер узла требуется уже после доставки сообщения в нужную сеть. На практике обычно применяют сразу несколько схем адресации, так что сетевой интерфейс компьютера может одновременно иметь несколько адресов-имен. Каждый адрес задействуется в той ситуации, когда соответствующий вид адресации наиболее удобен. А для преобразования адресов из одного вида в другой используются специальные вспомогательные протоколы, которые называют протоколами разрешения адресов.
Коммутация
Пусть компьютеры физически связаны между собой в соответствии с некоторой топологией. Затем нужно решить каким способом передавать данные между конечными узлами?
Соединение конечных узлов через сеть транзитных узлов называют коммутацией. Последовательность узлов, лежащих на пути от отправителя к получателю, образует маршрут.
Например, в сети, показанной на рис. 2.14, узлы 2 и 4, непосредственно между собой не связанные, вынуждены передавать данные через транзитные узлы, в качестве которых могут выступить, например, узлы 1 и 5. Узел 1 должен выполнить передачу данных между своими интерфейсами А и В, а узел 5 - между интерфейсами F и В. В данном случае маршрутом является последовательность: 2-1-5-4, где 2 - узел-отправитель, 1 и 5 - транзитные узлы, 4 - узел-получатель.
Рис. 2-14. Коммутация абонентов через сеть транзитных узлов
Обобщенная задача коммутации
В общем виде задача коммутации может быть представлена в виде следующих взаимосвязанных частных задач.
Определение информационных потоков, для которых требуется прокладывать маршруты.
Маршрутизация потоков.
Продвижение потоков, то есть распознавание потоков и их локальная коммутация на каждом транзитном узле.
Мультиплексирование и демультиплексирование потоков.
Маршрутизация
Задача маршрутизации, в свою очередь, включает в себя две подзадачи:
определение маршрута;
оповещение сети о выбранном маршруте.
Определить маршрут означает выбрать последовательность транзитных узлов и их интерфейсов, через которые надо передавать данные, чтобы доставить их адресату. Определение маршрута - сложная задача, особенно когда конфигурация сети такова, что между парой взаимодействующих сетевых интерфейсов существует множество путей. Чаще всего выбор останавливают на одном оптимальном по некоторому критерию маршруте. В качестве критериев оптимальности могут выступать, например, номинальная пропускная способность и загруженность каналов связи; задержки, вносимые каналами; количество промежуток транзитных узлов; надежность каналов и транзитных узлов.
Маршрут может определяться эмпирически («вручную») администратором сети, но этот подход к определению маршрутов мало пригоден для большой сети со сложной топологией. В этом случае используются автоматические методы определения маршрутов. Для этого конечные узлы и другие устройства сети оснащаются специальными программными средствами, которые организуют взаимный обмен служебными сообщениями, позволяющий каждому узлу составить свое «представление» о сети. Затем на основе собранных данных программными методами определяются рациональные маршруты.
При выборе маршрута часто ограничиваются только информацией о топологии сети. Этот подход иллюстрирует рис. 2.15. Для передачи трафика между конечными узлами А и С существует два альтернативных маршрута: А-1-2-3-С и А-1-3-С. Если мы учитываем только топологию, то выбор очевиден - маршрут А-1-3-С, который имеет меньше транзитных узлов.
Рис. 2.15. Выбор маршрута
Продвижение данных
Итак, пусть маршруты определены, записи о них сделаны в таблицах всех транзитных узлов, все готово к передаче данных между абонентами (коммутации абонентов).
Прежде всего, отправитель должен выставить данные на тот свой интерфейс, с которого начинается найденный маршрут, а все транзитные узлы должны соответствующим образом выполнить «переброску» данных с одного своего интерфейса на другой, другими словами, выполнить коммутацию интерфейсов. Устройство, функциональным назначением которого является коммутация, называется коммутатором. На рис. 2.16 показан коммутатор, который переключает информационные потоки между четырьмя своими интерфейсами.
Рис. 2.16. Коммутатор
Коммутатором может быть как специализированное устройство, так и универсальный компьютер со встроенным программным механизмом коммутации, в этом случае коммутатор называется программным.
Мультиплексирование и демультиплексирование
Чтобы определить, на какой интерфейс следует передать поступившие данные, коммутатор должен выяснить, к какому потоку они относятся. Эта задача должна решаться независимо от того, поступает на вход коммутатора только один «чистый» поток или «смешанный» поток.
Демультиплексирование - разделение суммарного агрегированного потока на несколько составляющих его потоков.
Мультиплексирование - образование из нескольких отдельных потоков общего агрегированного потока, который передается по одному физическому каналу связи,
Другими словами, мультиплексирование - это способ разделения одного имеющегося физического канала между несколькими одновременно протекающими сеансами связи между абонентами сети.
Рис.2.18. Операции мультиплексирования и демультиплексирования потоков при коммутации
Одним из основных способов мультиплексирования потоков является разделение време ни. При этом способе каждый поток время от времени (с фиксированным или случайным периодом) получает физический канал в полное свое распоряжение и передает по нему свои данные. Распространено также частотное разделение канала, когда каждый поток передаст данные в выделенном ему частотном диапазоне.
Рис. 2.19. Мультиплексор и демультиплексор
Типы коммутации
Среди множества возможных подходов к решению задачи коммутации, абонентов в сетях выделяют два основополагающих, к которым относят коммутацию каналов и коммутацию пакетов.