Структуризация как средство построения больших сетей

Различаю топология физических связей (физическую структуру сети) и топологию логических связей (логическую структуру сети). Конфигурация физических связей определяется электрическими соединениями компьютеров. Логические связи представляют собой маршруты передачи данных между узлами сети и образующиеся путем соответствующей настройки коммуникационного оборудования.

Крупные сети практически никогда не строятся без логической структуризации.

 

Локальные и глобальные сети. Конвергенция сетей.

 

Глобальные сети

Хронологически первыми появились глобальные сети (Wide Area Networks, WAN).

Глобальная вычислительная сеть объединяет компьютеры, находящиеся на больших расстояниях друг от друга: в разных городах, в разных странах и на разных континентах. Глобальные компьютерные сети очень многое унаследовали от телефонных сетей.

Первых глобальных сетях часто использовались уже существующие каналы связи, изначально предназначенные совсем для других целей.

Прогресс глобальных компьютерных сетей во многом определялся прогрессом телефонных сетей. С конца 60-х годов в телефонных сетях стала все чаще применяться передача голоса в цифровой форме, что привело к появлению высокоскоростных цифровых каналов, соединяющих АТС и позволяющих одновременно передавать десятки и сотни разговоров. Была разработана специальная технология плезиохронной цифровой иерархии (Plesiochrohous Digital Hierarchy, PDH), предназначенная для так называемых первичных, или опорных сетей.

Первоначально технология PDH, поддерживала скорости до 140 Мбит/с. Но в конце 80-х годов появилась технология синхронной цифровой иерархии (Synchronous Digital Hierarchy, SDH) расширила диапазон скоростей цифровых каналов до 10 Гбит/с, а технология спектрального мультиплексирования (Dese Wave Division Multiplexing, DWDM) - до сотен гигабит и даже нескольких терабит в секунду.

К настоящему времени глобальные сети по разнообразию и качеству сервисов догнали локальные сети.

Локальные сети

Локальные сети (Local Area Networks, LAN) - это объединение компьютеров, сосредоточенных на небольшой территории, обычно в радиусе не более 1-2 км. В общем случае локальная сеть представляет собой коммуникационную систему, принадлежащую одной организации.

На первых порах для соединения компьютеров друг с другом использовались нестандартные программно-аппаратные средства. Разнообразные устройства сопряжения, использующие свой собственный способ представления данных на линиях связи, свои типы кабелей и т.п., могли соединять только те конкретные модели компьютеров, для которых были разработаны.

В середине 80-х годов положение дел в локальных сетях стало кардинально меняться. Утвердились стандартные технологии объединения компьютеров в сеть - Ethernet, Arcnet, Token Ring, Token Bus, несколько позже - FDDI. Мощным стимулом для их появления послужили персональные компьютеры. ПК стали преобладать в локальных сетях, причем в качестве не только клиентстских компьютеров, но и в качестве центров хранения и обработки данных, то есть сетевых серверов, потеснив с этих привычных ролей мини-компьютеры и мэйнфреймы.

Конец 90-х выявил явного лидера среди технологий локальных сетей - семейство Ethernet, в которое вошли классическая технология Ethernet 10 Мбит/с, а также Fast Ethernet 100 Мбит/с и Gigabit Ethernet 1000 Мбит/с.

Сближение локальных и глобальных сетей

Постепенно различия между локальными и глобальными типами сетевых технологий стали сглаживаться. Изолированные ранее локальные сети начали объединяться друг с другом, при этом в качестве связующей среды использовались глобальные сети. Тесная интеграция локальных и глобальных сетей привела к значительному взаимопроникновению соответствующих технологий.

Сближение в методах передачи данных происходит на платформе цифровой передачи данных по волоконно-оптическим линиям связи. Высокое качество цифровых каналов изменило требования к протоколам глобальных компьютерных сетей.

Большой вклад в сближение локальных и глобальных сетей внесло доминирование протокола IP. Этот протокол сегодня используется поверх любых технологий локальных и глобальных сетей - Ethernet, Token Ring, ATM, frame relay - для создания из различных подсетей единой составной сети.

Одним из проявлений сближения локальных и глобальных сетей является появление сетей масштаба большого города, занимающих промежуточное положение между локальнами и глобальнами сетями. Городские сети или сети мегаполисов (Metropolitan Area Networks, MAN), предназначены для обслуживания территории крупного города.

 

Основы организации и функционирования сетей. Топология и адресация в сетях

Модель открытого системного взаимодействия OSI (Open System Interface) является в настоящее время международным стандартом для передачи данных по сетям ЭВМ.

Модель OSI реализована в виде сетевых протоколов. Под сетевым протоколом понимается соглашение между производителями сетевого оборудования и программного обеспечения о способах обмена информацией между ЭВМ. Сетевые протоколы бывают:

1. Аппаратный протокол. Аппаратный протокол определяет, как функционируют и взаимодействуют между собой устройства ЭВМ (например: тип среды передачи данных, уровни сигналов в среде передачи данных, способы кодирования информации и т.п.);

2. Программный протокол. Программный протокол определяет способы взаимодействия программ друг с другом (например: способы распознавания типа передаваемой информации, контроля целостности передаваемой информации и т. п.).

Существуют два способа коммуникаций между ЭВМ в сети:

1. Коммуникации, не ориентированные на установление соединения. Эти коммуникации реализуют сквозную передачу потока данных, заранее предполагая, что потеря данных маловероятна и они гарантированно достигнут адресата. Как правило, этот способ коммуникаций применяется в сетях с высоким качеством среды передачи данных и низкой вероятностью возникновения перегрузок в сети;

2. Коммуникации, ориентированные на установление соединения. Этот способ коммуникации предполагает, что в процессе передачи данные могут теряться или поступать в некорректном порядке. Как правило, данный способ коммуникаций применяется в сетях с низким качеством среды передачи данных и высокой вероятностью возникновения перегрузок в сети.

Модель OSI имеет 7 уровней.

На передающей ЭВМ данные, которые необходимо передать по сети, поступают на верхний, прикладной уровень модели OSI. Далее эти данные передаются вниз по уровням модели OSI от прикладного до физического. Каждый уровень модели OSI, кроме физического, добавляет к поступившим от вышележащего уровня данным заголовок, содержащий управляющую информацию для соответствующего уровня принимающей ЭВМ. На сетевом уровне совокупная информация (данные и заголовки) делится на пакеты по числу маршрутов передачи, а на канальном уровне эти пакеты делятся на кадры стандартного размера, пригодные для непосредственной передачи на физическом уровне.

На принимающей ЭВМ поступившая по сети информация передается вверх по уровням модели OSI от физического до прикладного. Каждый уровень модели OSI, кроме физического, удаляет соответствующий адресованный ему заголовок. На канальном уровне принятые кадры упорядочиваются, так как могут быть приняты не в той последовательности, чем посылались, дополнительно запрашиваются потерянные и искаженные кадры, и из них формируется пакет, который передается затем на вышележащий сетевой уровень. На сетевом уровне после прихода всех пакетов одного сообщения, передававшихся по разным маршрутам, они упорядочиваются, и из них формируется полная информация, переданная с другой ЭВМ. Полученные от другой ЭВМ данные, выдаются прикладным уровнем модели OSI запрашивающему процессу.

Топология сетей

Как только компьютеров становится больше двух, появляется 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), а ребрам - электрические и информационные связи между ними. Рассмотрим основные топологии сетей.

Типовые топологии сетей

· а - полносвязная топология, в ней каждый компьютер непосредственно связан со всеми остальными. Несмотря на логическую простоту, этот вариант оказывается громоздким и неэффективным

· б - ячеистая топология, получается из полносвязной путем удаления некоторых возможных связей. Эта топология допускает соединение большого количества компьютеров и характерна, как правило. для крупных сетей.

· в - общая шина, здесь в качестве центрального элемента выступает пассивный кабель, к которому по схеме "монтажная ИЛИ" подключается несколько компьютеров. Передаваемая информация распространяется по кабелю и доступна одновременно всем компьютерам, присоединенным к этому кабелю. Основными преимуществами такой схемы является ее дешевизна и простота наращивания - то есть присоединение новых узлов к сети. Самый большой недостаток общей шины является ее низкая надежность: любой дефект кабеля или какого-нибудь из многочисленных разъемов полностью парализует сеть.

· г - топология звезда образуется в случае, когда каждый компьютер подключается отдельным кабелем к общему центральному устройству, называемому концентратором. В качестве концентратора может выступать как компьютер, так и специализированное устройство, такое как многовходовой повторитель, коммутатор или маршрутизатор. К недостаткам данной топологии относится более высокая стоимость сетевого оборудования из-за необходимости приобретения специализированного центрального устройства.

· д - топология дерево получается путем использования нескольких концентраторов, иерархически соединенных между собой связями типа звезда. В настоящее время эта топология является самой распространенной. как в локальных, так и в глобальных сетях.

· е - кольцевая конфигурация. В данной топологии данные передаются по кольцу от одного компьютера к другому. Главным достоинством кольца является то, что оно по своей природе обладает свойством резервирования связей, любая пара узлов соединена здесь двумя путями - по часовой стрелке и против нее.

Небольшие сети обычно имеют типовую топологию - звезда, кольцо или общая шина, но 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

Адреса могут быть числовыми (например, 129.26.255.255) и символьными (site.domen.ru). Один и тот же адрес может быть записан в разных форматах, например, числовой адрес в предыдущем примере 129.26.255.255 может быть записан и шестнадцатеричными цифрами - 81.1а.ff.ff.

Множество всех адресов, которые являются допустимыми в рамках некоторой адресации, называется адресным пространством. Адресное пространство может иметь плоскую (линейную) организацию или иерархическую организацию. В первом случае множество адресов никак не структурировано. При иерархической схеме адресации оно организовано в виде вложенных друг в друга подгрупп, которые, последовательно сужая адресуемую область, в конце концов, определяют отдельный сетевой интерфейс.

Примером плоского числового адреса является MAC-адрес, предназначенный для однозначной идентификации сетевых интерфейсов в локальных сетях. Такой адрес стараются сделать по возможности компактным и записывают в виде двоичного или шестнадцатеричного значения, например 0081005е24а8. 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.