Проблемы связи нескольких компьютеров

До сих пор мы рассматривали вырожденную сеть, состоящую всего из двух машин. При объединении в сеть большего числа компьютеров возникает целый комплекс новых про­блем.

Топология физических связей

Объединяя в сеть несколько (больше двух) компьютеров, необходимо решить, каким об­разом соединить их друг с другом, другими словами, 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.

Число возможных вариантов конфигурации резко возрастает при увеличении числа связы­ваемых устройств. Так, если три компьютера мы можем связать двумя способами (рис. 2.9, а), то для четырех можно предложить уже шесть топологически разных конфигураций (при условии неразличимости компьютеров), что и иллюстрирует рис. 2.9, б.

Рис. 2.9. Варианты связи компьютеров

 

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

От выбора топологии связей существенно зависят характеристики сети. Например, нали­чие между узлами нескольких путей повышает надежность сети и делает возможным рас­пределение загрузки 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 неполно­связные.

Полносвязная топология (рис. 2.10, а) соответствует сети, в которой каждый компьютер непосредственно связан со всеми остальными. Несмотря на логическую простоту, этот ва­риант оказывается громоздким и неэффективным. Действительно, в таком случае 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 физическая линия связи. (В некоторых случаях даже две, если невозможно использование этой линии для двусторонней передачи.) Полно­связные топологии в крупных сетях применяются редко, так как для связи N узлов требу­ется N (N - 1)/2 физических дуплексных линий связей, то есть имеет место квадратичная зависимость от числа узлов. 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.

Ячеистая топология ^[5] получается из полносвязной путем удаления некоторых связей (рис. 2.10, б). Ячеистая топология допускает соединение большого количества компьютеров и характерна, как правило, для крупных сетей.

В сетях с кольцевой топологией (рис. 2.10, в) данные передаются по кольцу от одного ком­пьютера к другому. Главным достоинством кольца является то, что оно по своей природе обеспечивает резервирование связей. Действительно, любая пара узлов соединена здесь дву­мя путями — по часовой стрелке и против нее. Кроме того, кольцо представляет собой очень удобную конфигурацию для организации обратной связи — данные, сделав полный оборот, возвращаются к узлу-источнику. Поэтому источник может контролировать процесс достав­ки данных адресату. Часто это свойство кольца используется для тестирования связности сети и поиска узла, работающего некорректно. В то же время в сетях с кольцевой топологи­ей необходимо принимать специальные меры, чтобы в случае выхода из строя или отключе­ния какого-либо компьютера не прерывался канал связи между остальными узлами кольца.

Звездообразная топология (рис. 2.10, г) образуется в случае, когда каждый компьютер подключается непосредственно к общему центральному устройству, называемому кон­центратором ^[6]. 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. К недостаткам звездообразной топологии относится более высокая стоимость сетевого оборудования из-за необходимости приобретения специализированного центрального устройства. 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 звездообразными связями (рис. 2.10, д). Получаемую в результате структуру называют иерархической звездой, или деревом. В настоящее время дерево является самой распространенной топологией связей как в локальных, так и глобальных сетях.

Особым частным случаем звезды является общая шина (рис. 2.10, е). Здесь в качестве центрального элемента выступает пассивный кабель, к которому по схеме «монтажного ИЛИ» подключается несколько компьютеров (такую же топологию имеют многие сети, использующие беспроводную связь — роль общей шины здесь играет общая радиосреда). Передаваемая информация распространяется по кабелю и доступна одновременно всем компьютерам, присоединенным к этому кабелю. Основными преимуществами такой схемы являются ее 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).

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. 2.11).

Рис. 2.11. Смешанная топология

 

Адресация узлов сети

Еще одной новой проблемой, которую нужно учитывать при объединении трех и более компьютеров, является проблема их адресации, точнее адресации их сетевых интерфейсов[7]. 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, willi-winki).

Символьные адреса (имена) предназначены для запоминания людьми и поэтому обычно несут смысловую нагрузку. Для работы в больших сетях символьное имя может иметь иерархическую структуру, например ftp-arch1.ucl.ac.uk.Этот адрес говорит о том, что данный компьютер поддерживает ftp-архив в сети одного из колледжей Лондонского универси­тета (University College London — ucl)и эта сеть относится к академической ветви (ас)Интернета Великобритании (United Kingdom — uk).При работе в пределах сети Лондон­ского университета такое длинное символьное имя явно избыточно и вместо него можно пользоваться кратким символьным именем ftp-arch1.Хотя символьные имена удобны для людей, из-за переменного формата и потенциально большой длины их передача по сети не очень экономична.

Множество всех адресов, которые являются допустимыми в рамках некоторой схемы адресации, называется адресным пространством.

Адресное пространство может иметь плоскую (линейную) организацию (рис. 2.12) или иерархическую организацию (рис. 2.13).

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, поэтому его стараются сделать по возможности компактным и записывают в виде двоичного или шестнадцатеричного числа, например 0081005е24а8. При задании

МАС-адресов не требуется выполнение ручной работы, так как они обычно встраиваются в аппаратуру компанией-изготовителем, поэтому их называют также аппаратными адреса­ми (hardware address). Использование плоских адресов является жестким решением — при замене аппаратуры, например сетевого адаптера, изменяется и адрес сетевого интерфейса компьютера.

Рис. 2.13. Иерархическая организация адресного пространства

 

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.

В показанной на рис. 2.13 трехуровневой структуре адресного пространства адрес конечно­го узла задается тремя составляющими: идентификатором группы (K), в которую входит данный узел, идентификатором подгруппы (L) и, наконец, идентификатором узла (n), однозначно определяющим его в подгруппе. Иерархическая адресация во многих случаях оказывается более рациональной, чем плоская. В больших сетях, состоящих из многих тысяч узлов, использование плоских адресов приводит к большим издержкам — конечным узлам и коммуникационному оборудованию приходится оперировать таблицами адре­сов, состоящими из тысяч записей. В противоположность этому иерархическая система адресации позволяет при перемещении данных до определенного момента пользоваться только старшей составляющей адреса (например, идентификатором группы K), затем для дальнейшей локализации адресата задействовать следующую по старшинству часть (L) и в конечном счете — младшую часть (п).

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; точно так же, как название улицы используется по­чтальоном только после того, как письмо доставлено в нужный город.

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. Пользователи адресуют компьютеры иерархическими символьными именами, которые автоматически заменяются в сообщениях, передаваемых по сети, иерархическими число­выми адресами. С помощью этих числовых адресов сообщения доставляются из одной сети в другую, а после доставки сообщения в сеть назначения вместо иерархического числового адреса используется плоский аппаратный адрес компьютера. Проблема установления со­ответствия между адресами различных типов может решаться как централизованными, так и распределенными средствами.

При централизованном подходе в сети выделяется один или несколько компьютеров (сер­веров имен), в которых хранится таблица соответствия имен различных типов, например символьных имен и числовых адресов. Все остальные компьютеры обращаются к серверу имен с запросами, чтобы по символьному имени найти числовой номер необходимого компьютера.

При распределенном подходе каждый компьютер сам хранит все назначенные ему адреса разного типа. Тогда компьютер, которому необходимо определить по известному иерархи­ческому числовому адресу некоторого компьютера его плоский аппаратный адрес, посы­лает в сеть широковещательный запрос. Все компьютеры сети сравнивают содержащийся в запросе адрес с собственным. Тот компьютер, у которого обнаружилось совпадение, посылает ответ, содержащий искомый аппаратный адрес. Такая схема использована в про­токоле разрешения адресов (Address Resolution Protocol, ARP) стека TCP/IP. Достоинство распределенного подхода состоит в том, что он позволяет отказаться от выде­ления специального компьютера в качестве сервера имен, который, к тому же, часто требует ручного задания таблицы соответствия адресов. Недостатком его является необходимость широковещательных сообщений, перегружающих сеть. Именно поэтому распределенный подход используется в небольших сетях, а централизованный — в больших.

До сих пор мы говорили об адресах сетевых интерфейсов, компьютеров и коммуникаци­онных устройств, однако конечной целью данных, пересылаемых по сети, являются не сетевые интерфейсы или компьютеры, а выполняемые на этих устройствах программы — процессы. Поэтому в адресе назначения наряду с информацией, идентифицирующей интерфейс устройства, должен указываться адрес процесса, которому предназначены посылаемые по сети данные. Очевидно, что достаточно обеспечить уникальность адреса процесса в пределах компьютера. Примером адресов процессов являются номера портов TCP и UDP, используемые в стеке TCP/IP.

Коммутация

Итак, пусть компьютеры физически связаны между собой в соответствии с некоторой топологией и выбрана система адресации. Остается нерешенной самая важная проблема: каким способом передавать данные между конечными узлами? Особую сложность при­обретает эта задача для неполносвязной топологии сети, когда обмен данными между произвольной парой конечных узлов (пользователей) должен идти в общем случае через транзитные узлы.

Соединение конечных узлов через сеть транзитных узлов называется коммутацией. Последовательность узлов, лежащих на пути от отправителя к получателю образуют 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