Общие понятия вычислительных сетей

Понятие вычислительной сети

Вычислительная сеть это совокупность компьютеров, работающих каждый со своей операционной системой, связанных между собой каналами связи, которые служат для передачи информации между ними.

Вычислительные сети создаются в целях:

· разделения аппаратных ресурсов (например: совместное использование накопителей, принтеров, канала связи с Интернет и т.п.);

· разделение информационных ресурсов (например: совместное использование документов, информации баз данных, сетевых приложений и т.п.);

· обмена информацией между пользователями (например: обмен файлами, электронная почта, видеоконференции и т.п.).

Компоненты компьютерных сетей

Компьютерные сети состоят из следующих основных компонентов:

· узлов сети в качестве которых могут выступать компьютеры (или рабочие станции от персональных компьютеров до мини и супер – ЭВМ), а также другие устройства – сетевые принтеры, системы хранения информации и т.п.;

· каналов связи, которые включают в себя не только среду передачи данных, но и коммуникационное оборудования, обеспечивающее функционирование и структуризацию сети;

· операционных систем, обеспечивающих программную платформу сети и решающих задачи распределения ресурсов, защиту данных, взаимодействие пользователей;

· сетевых приложений – распределенных программ, работающих одновременно на разных узлах сети.

В настоящее время взаимодействие узлов сети и сетевых приложений осуществляется по технологии клиент-сервер. При этом в качестве сервера может выступать любой компьютер или приложение, которые предоставляют для другого компьютера (или приложения) - клиента доступ к своим ресурсам (файлам, данным, и т.п.). Один и тот же компьютер может выступать как в роли сервера, так и в роли клиента.

Сетевые приложения являются распределенными и работают по технологии клиент-сервер, когда один из компонентов программы выполняется на одном узле сети и предоставляет ресурсы этого компьютера другим своим компонентам. Одним из примеров сетевых приложений являются сетевые службы – служебные сетевые приложения, предоставляющие пользователям доступ к определенному ресурсы: файловая служба, служба печати, служба электронной почты, служба удаленного доступа и т.п.

Базовые топологии сетей

Топологией сети называют конфигурацию графа, вершины которого соответствуют узлам сети и коммуникационному оборудованию, а дуги – связям между ними. Связи могут быть:

· индивидуальными (двухточечными) – используются всего двумя узлами;

· разделяемыми – используются несколькими узлами. При этом одновременно по такой линии могут передаваться данные только от одного узла и поэтому необходимо использовать специальные методы разграничения доступа узлов к линии.

Различают два вида топологий: физическую и логическую. Физическая топология определяется графом, дуги которого соответствуют физическим связям между узлами. Логическая топология определяется графом, дуги которого определяют логические связи (т.е. маршруты передачи информации) в сети. В общем случае эти графы могут не совпадать.

Определены следующие стандартные топологии:

· Полносвязная – каждый узел сети связан со всеми другими узлами. Обеспечивается максимальная надежность, но при этом наблюдается очень высокая избыточность и низкая эффективность. Такая топология используется очень редко – только в глобальных сетях при малом числе узлов.

· Ячеистая – каждый узел сети связан с несколькими (но не всеми) узлами. Получается из полносвязной путем удаления некоторых связей. При этом непосредственно связаны узлы, между которыми происходит интенсивный обмен данными, остальные узлы обмениваются информацией транзитом через другие узлы. Преимуществом такой топологии является наличие резервных связей, что обеспечивает высокую надежность сети. Ячеистая топология используется в глобальных сетях.

· Общая шина – все узлы подключены к одному кабелю, который оканчивается специальными устройствами – терминаторами (необходимыми для гашения отраженных сигналов). Преимуществом такой топологии является простота и дешевизна использующих ее сетей. Однако надежность сетей с такой топологией мала – выход из строя кабеля в любом месте приводит к неработоспособности всей сети.

· Звезда – все узлы соединены индивидуальными линиями связи с центральным узлом. Эта топология характеризуется высокой надежностью (выход из строя любого отрезка кабеля не влияет на работоспособность всей сети – отключается лишь соответствующий узел), однако это более дорогостоящее решение, а увеличение количества подключаемых узлов может сдерживаться характеристиками центрального узла (например, количеством свободных портов).

· Кольцо – все узлы связаны между собой последовательно в замкнутый контур. Информация передается в одном направлении. Преимуществом такой топологии является наличие обратной связи – узел, отправляющий информацию в конечном итоге ее и получит и может проконтролировать качество передачи, недостаток – необходимость специальных мер обеспечения целостности сети при отключении узлов.

 

Рис. 1. Типовые топологии сетей: a) полносвязная; b) ячеистая; c) звезда; d) общая шина; e) кольцо.

Приведенные выше топологии являются типовыми. Последние три используются в основном в небольших локальных сетях. При построении больших сетей используют смешанные топологии, например иерархическую звезду или многосвязную топологию, в узлах которой располагаются сети с одной из перечисленных выше топологий.

Адресация узлов в сетях

Для доставки информации в сети необходимо, чтобы узлы сети имели свои адреса, т.е. в сети должна быть реализована некоторая система адресации. К системе адресации предъявляются следующие требования:

· уникальность – каждый узел в сети должен однозначно идентифицироваться своим адресом;

· минимум ручной работы при назначении адресов;

· иерархичная структура – удобная при построении больших сетей;

· компактность и однотипность адреса – удобное представление для быстрой машинной обработки;

· удобное представление для пользователей.

Эти требования во многом противоречивы, поэтому не создано единой системы адресации, удовлетворяющей всем приведенным требованиям. В настоящее время используются следующие системы адресации:

Система плоских числовых адресов. Предусматривает использование в качестве адресов чисел фиксированного формата. Например, система аппаратных (МАС) адресов – уникальных 6-байтных адресов, прошитых в сетевых адаптерах. Аппаратные адреса записываются в шестнадцатеричной форме и имеют вид: 0060978DC067. Уникальность этих адресов обеспечивается тем, что первые 3 байта – идентификатор фирмы-производителя сетевого оборудования, а последние 3 байта – уникальный номер экземпляра сетевого устройства. Эта система обеспечивает уникальность, простоту назначения адресов и удобство их машинной обработки, но не обеспечивает иерархичность и не удобна для людей-пользователей.

Система составных числовых адресов. Основана на использовании числовых адресов фиксированного формата с разбиением адреса на части, которые содержат адрес сети и адрес узла в сети. Например: система IP-адресов, состоящих из четырех байт, записываемых через точку в виде 194.27.45.3. Такая система хорошо работает в больших сетях (разбитых на подсети), адреса удобны для машинной обработки. Однако, такая система требует дополнительных усилий для назначения и обеспечения уникальности адресов и не удобна для людей-пользователей.

Система символьных адресов (имен). Основана на использовании в качестве адреса набора символов не фиксированного формата (обычно это слова, состоящие из английских букв и цифр). Адреса могут быть иерархическими. Специально разработана для людей-пользователей, но хуже обрабатывается автоматически (из-за переменной длины адреса) и требует дополнительных усилий для обеспечения уникальности адресов, особенно в больших сетях. Примером такой системы адресов может служить система доменных имен Интернет, которая использует иерархию имен типа: www.company.spb.ru.

Поскольку одновременно используются несколько систем адресации, то один узел сети может одновременно иметь несколько адресов в разных системах адресации. При этом возникает задача по известному адресу узла в одной системе определить его адрес в другой. Эта задача называется задачей разрешения адресов. Более подробно она рассматривается в разделе 4.4.

Аппаратные компоненты сетей

В качестве аппаратных компонентов сетей рассмотрим устройства, с помощью которых узлы подключаются к сети (сетевые адаптеры), а также различные коммуникационные устройства, предназначенные для соединения между собой сегментов одной сети или разных сетей. Причем, последние устройства используются не только для объединения ранее самостоятельных сетей, с целью создания более крупной сети, (например – объединение ранее самостоятельных сетей отделов в общую сеть организации, или объединение региональных сетей в Интернет). Коммуникационные устройства используют также для разделения (структуризации) сетей, поскольку при росте любой сети типовой топологии рано или поздно наталкиваются на следующие ограничения:

· на длину связей между узлами;

· на количество узлов в сети;

· на интенсивность трафика в сети.

Сетевые адаптеры

Компьютер подключается к сети, используя сетевой интерфейс. В настоящее время наиболее распространены в качестве сетевого интерфейса сетевые адаптеры. Сетевой адаптер обычно выполняется в виде платы расширения, устанавливаемый в PCI разъем (на старых материнских платах можно устанавливать адаптер в разъем ISA). Однако на некоторых современных материнских платах расположены интегрированные сетевые адаптеры.

Сетевой адаптер и его драйвер обеспечивают выполнение основных функций, необходимых для доступа компьютера в сеть. Это:

· передача данных – данные передаются из оперативной памяти компьютера сетевому адаптеру (при передаче) или наоборот (при приеме);

· хранение данных в буфере – поскольку скорость передачи данных по сети значительно ниже скорости обработки информации в компьютере необходимо хранить передаваемые данные в буфере памяти, расположенном на сетевом адаптере. Этот буфер может иметь объем от 4 Кбайт и больше и поделен на две части – для передачи и приема;

· создание кадра – адаптер получает данные от протоколов сетевого уровня и вкладывает их в кадр, который включает заголовок и постинформацию. Размер кадра зависит от технологии, используемой в сети. Например, кадры Ethernet могут переносить до 1500 байт данных, а кадры Tocken Ring – до 4500 байт. Для входящего трафика сетевой адаптер считывает кадры, проверяет на наличие ошибок, удаляет служебную информацию кадра и передает его содержимое протоколу сетевого уровня.

· получение доступа к среде – поскольку адаптеры подключены к общей среде передачи данных, то необходимо как-то разнести передачу кадров разными адаптерами по времени, иначе в случае одновременной передачи кадров разными сетевыми адаптерами в результате наложения произойдет искажение передаваемых данных. Для этого в адаптерах реализованы различные механизм управления доступом к среде. Соответственно, каждый сетевой адаптер должен выполнять определенные действия для получения доступа к среде передачи (подробнее об этом см. разделы 3.2.1 и 3.3.1).

· параллельное/последовательное преобразование – необходимо преобразовать данные, поступающие по шине параллельно в последовательность бит, которая и передается в сеть. При приеме необходимо обеспечить обратное преобразование.

· кодирование/декодирование данных – преобразование данных из двоичной формы в последовательность сигналов, которые могут передаваться в среде передачи данных, к которой подключен данный адаптер.

· прием/передача данных – непосредственная передача (прием) закодированных сигналов в (из) среду передачи данных.

Сетевой адаптер обычно предназначен только для одной среды передачи данных и одной технологии передачи данных (Ethernrt, ArcNet, Tocken Ring и т.п.). Как уже говорилось выше, каждый сетевой адаптер имеет уникальный идентификатор, прошитый в его постоянной памяти. Этот идентификатор состоит из 6 байт: первые три байта – уникальный идентификатор производителя плат сетевых адаптеров (присваивается организацией IEEE – Институтом инженеров по электротехнике и электронике[1]), последние 3 байта – определяется самим производителем. Идентификатор сетевого адаптера используется многими технологиями как сетевой адрес узла сети, который подключен через этот адаптер.

 

Рис. 2 Сетевой адаптер

Повторители

Повторитель (repeator) используется для физического соединения двух сегментов кабеля для увеличения общей длины сети. Повторитель передает сигналы, приходящего из одного сегмента сети, в другие ее сегменты. Это устройство улучшает качество передаваемого сигнала: восстанавливает его мощность, амплитуду, форму сигнала, тем самым позволяет преодолеть ограничения на длину связей в сети (например, для сети Ethernet это 185м).

Рис. 3 Использование повторителей для увеличения размеров сети.

Повторитель является чисто электрическим устройством. Он не может прочитать содержимое проходящего через него кадра, поэтому никак их не обрабатывает. Приходящий кадр не сохраняется в буфере (как в других коммуникационных устройствах) а тут же передается дальше, в другой сегмент кабеля. В настоящее время отдельные повторители используются очень редко. Обычно их функции интегрированы в другие устройства (концентраторы и коммутаторы – см. далее).

Концентраторы

Концентратор (hub) – это многопортовый повторитель, соединяющий несколько физических сегментов сети. Каждый приходящий кадр концентратор дублирует и передает по другим своим портам. Концентраторы используются во многих технологиях локальных сетей для обеспечения их физической структуризации.

Концентратор имеет несколько портов для подключения отдельных узлов или сегментов сети и реализует физическую топологию «звезда». Однако в зависимости от используемой технологии локальной сети работа концентратора (и логическая топология сети) могут быть различными. Так, концентратор Ethernet повторяет сигналы, пришедшие с одного из своих портов на все свои другие порты (кроме этого). При этом все узлы логически получаются подключены по топологии шина (роль шины выполняет концентратор). Концентратор же Tocken Ring повторяет пришедший сигнал только на одном порту – к которому подключен следующий узел сети. Тем самым реализуется логическое кольцо.

Рис. 4. Концентраторы различных технологий

По функциональным возможностям выделяют несколько видов концентраторов:

· Пассивный концентратор – обеспечивает соединение нескольких сегментов сети и передает пришедшие на любой порт сигналы через все другие порты. При этом сигнал никак не изменяется и не обрабатывается.

· Активный (ретранслирующий) концентратор – работает как многопортовый повторитель, т.е. усиливает сигналы и восстанавливает их синхронизацию. Требует отдельного питания.

· Управляемый концентратор – позволяет удаленно отслеживать состояние каждого порта и управлять своей работой. К концентратору можно подключаться либо непосредственно через встроенный COM – порт, либо через встроенный web-сервер удаленно через сеть. Для управления работой используется протокол SNMP (Simple Network Management Protocol – простой протокол управления сетью).

Кроме того, по своему исполнению концентраторы делятся на:

· Автономные концентраторы небольшие устройства, обеспечивающие подключение небольшого числа узлов (4-16 портов). Используются в небольших локальных сетях.

· Наращиваемые концентраторы могут объединяться в стек, соединяясь между собой короткими кабелями. При этом они работают как один концентратор с большим количеством портов. Используются в локальных сетях с возможностью поэтапного роста количества портов.

· Модульные концентраторы используются в больших сетях и обеспечивают хорошую масштабируемость (наращиваемость) сети. Модульный концентратор представляет собой шасси (стойку) с блоком управления и системой питания. В эту стойку можно устанавливать отдельные коммуникационные модули, к которым и подключаются сегменты сети.

Концентраторы используются для физической структуризации локальной сети. С их помощью можно организовать различные сегменты сети в которых будут работать, например, рабочие станции отдельных отделов или рабочих групп (см. рис).

Рис. 5. Сеть, построенная с использованием концентраторов

Однако, поскольку концентраторы передают все принимаемые ими кадры по всем своим портам, то все они образуют единую среду передачи данных (одну область коллизий). Это приводит к тому, что рост количества узлов в сети приведет к резкому увеличению трафика и большой нагрузке на сеть. Более того, такая организация сети приводит к тому, что даже при передаче информации между узлами в пределах одной рабочей группы (например между компьютерами А и В) все остальные компьютеры сети должны ожидать освобождения единой среды передачи данных. Это приводит к нерациональному использованию пропускной способности сети.

Для решения этой проблемы используют логическую структуризацию сети, т.е. разбивают сеть на сегменты с локализованным трафиком. Для этой цели используют такие коммуникационные устройства как мосты, коммутаторы, маршрутизаторы и шлюзы.

Мосты

Мост (Bridge) делит общую среду передачи сети на части (логические сегменты), передавая информацию из одного сегмента в другой только в том случае, если адресат находится в этом сегменте. Мост изолирует трафик одной подсети от трафика другой, тем самым повышая общую производительность сети. В случае, если в сети, рассмотренной в предыдущем разделе центральный концентратор заменить мостом, сеть будет разбита на четыре логических подсети и обмен информацией в любой из подсетей (например между компьютерами А и В) не будет оказывать влияние на работу других подсетей. Однако, мост не препятствует обмену информацией между узлами разных подсетей: при передаче данных, например, от компьютера А к компьютеру С эта информация будет передана мостом в соответствующую подсеть.

Рис. 6. Использование моста для логической структуризации сети

Работа моста основана на использовании адресной информации, помещаемой в заголовках передаваемых по сети кадров. Мост содержит адресную таблицу соответствия номеров портов и аппаратных адресов (МАС-адресов) тех узлов, которые находятся в подсети, подключенной к этим портам. У каждого принятого кадра читается адрес получателя, далее по таблице определяется порт, к которому подключен узел-получатель. Если этот узел находится в сегменте, подключенном к порту, по которому принят кадр, то кадр отбрасывается поскольку он уже доставлен получателю. Если же узел-получатель находится в другом сегменте, то кадр передают через соответствующий порт. Этот процесс называется фильтрацией пакетов.

Адресная таблица моста может заполняться как вручную администратором сети, так и автоматически в режиме самообучения. Для этого используют адрес отправителя каждого принятого кадра. Первоначально адресная таблица может быть пустой. Все принятые кадры мост ретранслирует по всем своим портам (работая как концентратор). Однако, запоминая адреса отправителей принятых кадров и номера портов, с которых эти кадры приняты, мост постепенно заполняет свою таблицу и далее может производить фильтрацию принятых кадров.

Как и концентраторы, мосты выполняют ретранслирующие функции, давая возможность увеличить длину сегментов и физические размеры сети.

Существуют три основных типа мостов:

· Локальный мост – обеспечивает фильтрацию пакетов и ретранслирующие функции для сетевых сегментов одного типа.

· Преобразующий мост – выполняет все функции локального моста, но при этом может соединять сегменты с разными скоростями передачи или разными протоколами.

· Удаленный мост – соединяет сетевые сегменты, расположенные на значительном расстоянии друг от друга, используя соединения глобальных сетей (модемное, выделенная линия и т.п.). Задача такого моста – минимизировать трафик по медленной (или дорогой) линии связи.

Коммутаторы

Коммутатор (switch) работает по тому же принципу, что и мост. Основное отличие от моста состоит в том, что каждый порт коммутатора оснащен специализированным процессором, который обрабатывает приходящие через этот порт кадры по алгоритму моста независимо от других портов. Тем самым производительность такого устройства намного выше производительности традиционного моста. В настоящее время мосты практически вытеснены этими устройствами.

Коммутаторы могут работать как в режиме без буферизации кадров, так и с промежуточным хранением кадров. Во втором случае весь принятый кадр сохраняется в буферной памяти коммутатора, проверяется на наличие ошибок, а затем передается на порт назначения. Существует три типа коммутаторов:

· Коммутатор с матричной коммутацией - основан на использовании коммутационной матрицы, соединяющей все порты друг с другом. Кадр, принятый через любой порт немедленно может быть передан на любой другой порт. Если этот порт занят, то кадр буферизуется.

· Коммутатор с общей памятью помещает все принятые кадры в общую буферную память, откуда передает их по нужным портам.

· Коммутатор с шинной архитектурой использует для передачи кадров между портами высокоскоростную внутреннюю шину. Каждый порт имеет доступ к этой шине в режиме разделения времени.

 

Рис. 7. Миникоммутатор на 5 портов

Маршрутизаторы

Маршрутизатор (router) предназначен для объединения сетей между собой в глобальные сети и обеспечения обмена информацией между сетями, реализующих разные технологии (например Ethernet и X.25). Маршрутизаторы используют не плоские аппаратные адреса (как коммутаторы и мосты), а составные числовые адреса. Эти адреса содержат в себе адрес сети и адрес узла в сети. Используя адрес сети в заголовке приходящего пакета и специальные таблицы маршрутизации эти устройства решают задачу маршрутизации – передачи информации в сложных сетях (например, в Интернет). Маршрутизаторы могут использоваться не только для построения глобальных сетей, но также для подключения локальных сетей к глобальным, а также для логической структуризации локальных сетей. Использование маршрутизаторов в локальных сетях основано на возможностях маршрутизаторов поддерживать замкнутые контуры, образованные резервными связями, что затруднительно при использовании коммутаторов.

Более подробно о работе маршрутизаторов изложено в разделе 4.1.

Шлюзы

Шлюз (gateway) используется для объединения сетей разного типа. Например, сетей с коммутацией пакетов и коммутацией сообщений (Интернет и FIDO). Назначение шлюза – осуществление преобразования информации, в том числе и адресной, для обеспечения связи между узлами различных сетей.