Взаимодействие локальных и глобальных сетей

Взаимодействие локальных и глобальных сетей

По прочтении этого материала и после выполнения практических заданий вы сможете:

• объяснить эталонную модель OSI, устанавливающую стандарты взаимодействия локальных и глобальных сетей;

• пояснить процесс передачи информации между стеками OSI для компьютеров, объединенных в сеть;

• объяснить работу модели OSI в реальных сетевых конфигурациях;

• описать типы сетей с точки зрения топологии локальных сетей;

• описать основные методы передачи данных в локальных сетях, включая Ethernet, Token Ring и FDDI;

• описать основные топологии глобальных сетевых коммуникаций и методы передачи данных, включая каналы телекоммуникации и кабельного телевидения, беспроводные технологии.

 

Взаимодействие локальных и глобальных сетей является быстроразвивающейся областью техники, что объясняется жесткой конкуренцией между компаниями, работающими в трех следующих секторах промышленности: телекоммуникации, кабельное телевидение и спутниковые средства связи. Быстрый рост этих отраслей увеличил возможности совместного использования информации, доступной через сети и Интернет. Например, пользователь, живущий в небольшом городе, может подключаться к Интернету по телефонной линии, с помощью спутниковой "тарелки" или входа кабельного телевидения. Много дополнительных возможностей появляется при соединении локальных сетей, находящихся в разных странах или частях света.

Телекоммуникационные компании могут обеспечить связь локальных сетей через глобальную сеть, используя для этого междугородные высокоскоростные телефонные линии. Глобальные сети строятся на основе радио, радиорелейных (СВЧ) и спутниковых каналов. Жесткая конкуренция между поставщиками услуг глобальных сетей приводит к быстрому появлению новых возможностей передачи данных.

Применение модели OSI

 

В качестве примера коммуникаций с использованием многоуровневой модели рассмотрим процесс обращения рабочей станции к общему диску, расположенному на сервере в другой сети. Редиректор рабочей станции на Прикладном уровне находит общий сетевой диск. Представительский уровень обеспечивает форматирование данных в кодах ASCII (этот формат использует как рабочая станция, так и сервер). Сеансовый уровень устанавливает связь между двумя компьютерами и обеспечивает его устойчивость в течение всего времени, пока рабочая станция обращается к содержимому общего диска. Транспортный уровень устраняет все ошибки передачи или приема, гарантируя сохранение последовательности пересылки и интерпретации данных. Сетевой уровень обеспечивает передачу пакетов по кратчайшему маршруту для уменьшения задержек. Канальный уровень форматирует фреймы и следит за тем, чтобы они передавались нужной рабочей станции (используя физические адреса). И, наконец, Физический уровень осуществляет передачу данных, преобразуя информацию в электрические сигналы, посылаемые в сетевой коммуникационный кабель. Фреймы и пакеты по мере их формирования адаптируются для осуществления связи локальных сетей через глобальную сеть, для чего используется инкапсуляция или эмуляция ЛВС.

 

Модель OSI также применяется к сетевым взаимодействиям между аппаратными и программными средствами. Чтобы отвечать принятым стандартам, эти средства должны работать на определенных уровнях модели OSI.

 

Типы сетей

 

Любая сеть состоит из совокупности кабелей, сетевого оборудования, файловых серверов, рабочих станций и программного обеспечения. Комбинируя эти элементы, можно создать сеть, соответствующую задачам и возможностям конкретной организации. Первоначальная установка некоторых типов сетей не требует больших расходов, однако расходы появляются при эксплуатации или модернизации. Другие сети, наоборот, требуют значительных капиталовложений на этапе развертывания, но они просты в обслуживании их легко расширять.

 

Одним из важнейших различий между разными типами сетей является их топология. Топология – это физическая конфигурация сети в совокупности с ее логическими характеристиками. Физическая конфигурация подобна плану разводки кабелей в офисе, здании или кампусе. Иногда ее называют кабельным участком (cable plant). Логические характеристики сети описывают способ передачи сигнала по кабелю от одной точки к другой.

 

Конфигурация сети может быть или децентрализованной (когда кабель "обегает" каждую станцию в сети), или централизованной (когда каждая станция физически подключается к некоторому центральному устройству, распределяющему фреймы и пакеты между станциями). Примером централизованной конфигурации является звезда с рабочими станциями, располагающимися на концах ее лучей. Децентрализованная конфигурация похожа на цепочку альпинистов, где каждый альпинист имеет свое положение в связке, а все вместе соединены одной веревкой. Логические характеристики топологии сети определяют маршрут, проходимый пакетом при передаче по сети.

 

Существуют три основных топологии: шина, кольцо и звезда. При выборе топологии необходимо, чтобы тип сети соответствовал ее предназначению внутри организации. Например, некоторые организации более интенсивно используют свои сети по сравнению с другими. Количество и тип прикладных программ внутри организации влияют на количество и частоту передачи фреймов и пакетов, что в совокупности образует сетевой трафик. Если пользователи сети в первую очередь работают с текстовыми редакторами, то сетевой трафик будет относительно небольшим и большая часть работы будет выполняться на рабочих станциях, а не в сети.

 

Клиент-серверные приложения в зависимости от своей архитектуры создают сетевой трафик средней и высокой интенсивности. В сетях, в которых происходят частые обращения к базам данных, таким как Microsoft SQL Server или Oracle, трафик средний или высокий. Научные программы и серверы публикаций создают трафик высокой интенсивности, поскольку они работают с очень большими файлами. Также большой трафик вызывает работа программ обработки графики (например, серверы потокового мультимедиа или телеконференций).

 

Влияние на сеть количества хостов и серверов определяется типом используемых прикладных программ. К примеру, сервер базы данных, к которому часто обращаются для получения отчетов и финансовых сведений, будет создавать значительно больший сетевой трафик, чем файловый сервер, с которого изредка получают деловую корреспонденцию или бланки писем.

 

При выборе топологии сети нужно учитывать, будет ли она связана с другими сетями. Сетевая топология для малого предприятия, в котором используются несколько компьютеров, отличается от топологии сети промышленного предприятия, связанного через глобальную сеть с сетями других предприятий. Малое предприятие вряд ли взаимодействует с другими сетями, за исключением разве что подключения к Интернету. Корпоративная сеть может состоять из нескольких взаимно связанных сетей, в число которых, например, могут входить сеть для управления производственным оборудованием, сеть настольных систем, исследовательская сеть и внешняя глобальная сеть для связи с удаленными площадками. Одни топологии имеют лучшие возможности для объединения сетей, чем другие.

 

Сеть с большим трафиком нуждается в высокоскоростных каналах передач данных. От скорости сети зависит производительность работы пользователей. Наличие быстродействующих каналов особенно важно при передач изображений, графики и других объемных файлов на большие расстояний или через глобальные сети.

 

Безопасность, представляющая собой механизм защиты данных от неавторизованного доступа, также влияет на архитектуру сети. В безопасной сет для ограничения доступа к информации и ресурсам используются специальные сетевые устройства, пароли, управляющие программы и другие технологии. Можно также применять шифрование данных и паролей, копи фреймы и пакеты кодируются, и только авторизованные компьютеры могут декодировать их. В сетях с высокой степенью защиты используется оптоволоконный кабель, который минимизирует риск перехвата данных. Другой способ повысить защищенность сети – поместить оборудование и сервер в помещения с ограниченным доступом (например, в серверные комнаты; монтажные шкафы).

 

Топология сети непосредственно влияет на возможность ее расширения. После установки сети наверняка потребуется подключение новых пользователей, в том же офисе или в других помещениях или зданиях. Также весьма вероятно, что для удаленного доступа к данным потребуется подключи локальную сеть к какой-нибудь глобальной сети.

 

Ethernet

Стандарт Ethernet использует преимущества шинной и звездообразной то) пологий. На момент написания книги скорости передачи по сетям Ethernet составляли: 10 Мбит/с, 100 Мбит/с, 1 Гбит/с и 10 Гбит/с. В стандарте Ethernet используется метод управления доступом под названием Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, CSMA CD (Множественный доступ контролем несущей и обнаружением конфликтов). CSMA CD – это алгоритм передачи и декодирования форматированных фреймов данных. С помощью данного алгоритма посылающий узел сети Ethernet инкапсулируя фрейм и готовит его для передачи. Все узлы, стремящиеся отправить фрейм в кабель, соревнуются между собой. Ни один узел не имеет преимуществ перед другими узлами. Узлы прослушивают наличие пакетов в кабеле. Если обнаруживается передаваемый пакет, то узлы, не стоящие в очередь на передачу, переходят в режим "ожидания".

 

Протокол Ethernet в каждый момент времени позволяет только одному узлу работать на передачу. Для передачи генерируется сигнал несущей частот Контроль несущей – это процесс проверки коммуникационного кабеля на наличие определенного напряжения, указывающего на наличие сигнал передающего данные. Если в течение заданного интервала времени в среде передачи отсутствует информационный сигнал, любой узел может начать передачу данных.

Token Ring

Метод доступа маркерное кольцо (token ring) был разработан компанией IBM в 1970-х годах и остается одной из основных технологий локальных сетей, хотя уже и не столь популярной, как Ethernet. Скорость передачи данных старых версиях маркерных сетей равна 4 Мбит/с или 16 Мбит/с, а в новых скоростных сетях – 100 Мбит/с. Метод передачи данных в маркерном кольце использует топологию физической звезды в сочетании с логикой кольцевой топологии. Несмотря на то, что каждый узел подключается к центральному концентратору, пакет перемещается от узла к узлу так, будто начальная и конечная точки отсутствуют. Каждый узел соединяется с другими при помощи модуля множественного доступа (Multistation Access Unit, MAU). MAU – это специализированный концентратор, обеспечивающий передачу пакета по замкнутой цепочке компьютеров. Поскольку пакеты движутся по кольцу, на рабочих станциях или в модуле MAU отсутствуют терминаторы.

FDDI

Стандарт Fiber Distributed Data Interface, FDDI (Распределенный интерфейс передачи данных по оптоволоконным каналам) был разработан в середине 1980-х годов для обеспечения высокоскоростной передачи данных по сетям Ethernet (в то время на частоте 10 Мбит/с) или по маркерным кольцам (с частотой 4 или 16 Мбит/с). Стандарт установлен комитетом ANSI X3T9.5 и обеспечивает метод доступа, позволяющий с большой скоростью передавать информацию по загруженным сетям.

 

При частоте передачи, равной 100 Мбит/с, стандарт FDDI обеспечивая большую производительность, чем сети Ethernet с частотой 10 Мбит/с и маркерные кольца с частотой 16 Мбит/с. Однако по мере развития скоростных технологий Fast Ethernet и Fast Token Ring этот стандарт применяется все реже и реже. В качестве передающей среды стандарт FDDI использует

 

оптоволоконный кабель. Обычно FDDI применялся для обеспечения быстрого доступа к сетевым серверам (но, опять-таки, теперь для этих целей почти везде используют технологии Fast Ethernet).

 

Методы доступа FDDI и маркерного кольца похожи, поскольку в них для пересылки данных по сети используется передача маркера. Отличие FDDI от стандартного маркерного кольца заключается в применении синхронного метода доступа с передачей маркера. Маркер FDDI перемещается по сетевому кольцу от узла к узлу. Если некоторый узел не имеет данных для передачи, он принимает маркер и пересылает его следующему узлу. Если узел, владеющий маркером, должен передать данные, он может отослать любое нужное количество фреймов в течение фиксированного промежутка времени, называемого временем обращения целевого маркера (target token rotation time, TTRT). Поскольку стандарт FDDI использует синхронный метод передачи маркера, в сети в каждый момент времени могут находиться несколько фреймов от нескольких узлов, что обеспечивает высокую скорость передачи данных.

 

После того как узел передал фрейм, последний перемещается к следующему узлу сетевого кольца. Каждый из узлов определяет, предназначен ли фрейм текущему узлу и имеются ли в этом фрейме ошибки. Если узел является приемником данных, он помечает фрейм как прочитанный. Если какой-нибудь узел обнаруживает ошибку, он устанавливает разряд состояния фрейма, указывая на наличие ошибки. Когда фрейм возвращается к передающему узлу, тот определяет, получил ли целевой узел данный фрейм, а также имелись ли ошибки. В случае наличия ошибок фрейм передается заново. При отсутствии ошибок передающий узел удаляет фрейм из кольца.

 

Стандарт FDDI допускает два способа передачи пакетов: синхронный и асинхронный.

 

Беспроводные сети

В беспроводных сетях для передачи сигналов используются радио-, СВЧ - спутниковые каналы. Топология радиоканалов связи предусматривает подключение локальной сети к мосту или коммутатору беспроводной связи который в свою очередь может быть соединен с антенной. Антенна передав радиоволны на уделенную антенну, также подключенную в мосту или коммутатору, который принимает пакеты и передает их в другую локальную) сеть. Такой тип коммуникаций называется пакетной радиосвязью (packet radio) и реализуется на очень высоких радиочастотах.

СВЧ-каналы работают на еще больших частотах, чем радиоканалы. В этом случае в состав сети входит параболическая антенна (тарелка), подключенная к локальной сети и передающая сигнал на удаленную тарелку, которая преобразует сигнал в тот вид, который используется в сети. В случае применения спутниковых каналов связи одна площадка с помощью спутниковой антенны передает сигнал на спутник, находящийся в космосе. Затем сигнал ретранслируется со спутника на другую антенну, которая может находиться на другом континенте. Спутниковые каналы – это наиболее дорогой вид связи, используемый для построения беспроводных глобальных сетей, соединяющих локальные сети. Самый дешевый тип связи – обычные радиоволны.

 

Резюме

 

• Семиуровневая модель OSI является основой для передачи информации между локальными и глобальными сетями. При отсутствии модели OSI взаимодействие между этими сетями в настоящее время было бы недостижимо, а Интернет оставался бы теоретической моделью, но не фактом реальности.

 

• Каждый уровень модели OSI играет важную роль в сетевых коммуникациях. Нижние уровни обеспечивают физические соединения, формирование фреймов, кодирование и передачу сигналов. Средние уровни позволяют устанавливать и поддерживать сеансы передачи данных между двумя сетевыми узлами, а также обнаруживать ошибки. Верхние уровни обеспечивают поддержку приложений, шифруя и интерпретируя данные.

 

• Локальные сети, построенные на базе модели OSI, используют одну из трех основных топологий: шину, кольцо или звезду. Звездообразная топологая является самой старой и наиболее распространенной в современных сетях. Популярность этой топологии объясняется несколькими факторами, среди которых - стоимость, простота обслуживания и возможность расширения. Для осуществления коммуникаций в локальных сетях используются установленные методы передачи данных – Ethernet, или маркерное кольцо. Сети Ethernet в настоящее время наиболее распространены, поскольку для них выпускается достаточное количество сетевого оборудования, и этот метод доступа хорошо подходит для реализации высокоскоростных глобальных сетей.

 

• Топологии глобальных сетей трудно классифицировать из-за того, что многие провайдеры держат в секрете детали конкретных технологий. Однако, как и в локальных сетях, в глобальных широко используется звездообразная топология. Эта топология применялась в телекоммуникационных сетях еще задолго до появления локальных сетей и продолжают использоваться и поныне. Все чаще появляются глобальные сети на основе каналов кабельного телевидения и спутниковых каналов, и в таких сетях также применяются звездообразные топологии.

 

• Методы передачи данных в глобальных сетях весьма разнообразны и зависят от конкретных технологий, однако очень часто используются те или иные способы коммутации. Методы коммутации позволяют создавать множество коммуникационных маршрутов, обеспечивающих максимально быструю передачу наибольших объемов информации всем адресатам.

 

Взаимодействие локальных и глобальных сетей

По прочтении этого материала и после выполнения практических заданий вы сможете:

• объяснить эталонную модель OSI, устанавливающую стандарты взаимодействия локальных и глобальных сетей;

• пояснить процесс передачи информации между стеками OSI для компьютеров, объединенных в сеть;

• объяснить работу модели OSI в реальных сетевых конфигурациях;

• описать типы сетей с точки зрения топологии локальных сетей;

• описать основные методы передачи данных в локальных сетях, включая Ethernet, Token Ring и FDDI;

• описать основные топологии глобальных сетевых коммуникаций и методы передачи данных, включая каналы телекоммуникации и кабельного телевидения, беспроводные технологии.

 

Взаимодействие локальных и глобальных сетей является быстроразвивающейся областью техники, что объясняется жесткой конкуренцией между компаниями, работающими в трех следующих секторах промышленности: телекоммуникации, кабельное телевидение и спутниковые средства связи. Быстрый рост этих отраслей увеличил возможности совместного использования информации, доступной через сети и Интернет. Например, пользователь, живущий в небольшом городе, может подключаться к Интернету по телефонной линии, с помощью спутниковой "тарелки" или входа кабельного телевидения. Много дополнительных возможностей появляется при соединении локальных сетей, находящихся в разных странах или частях света.

Телекоммуникационные компании могут обеспечить связь локальных сетей через глобальную сеть, используя для этого междугородные высокоскоростные телефонные линии. Глобальные сети строятся на основе радио, радиорелейных (СВЧ) и спутниковых каналов. Жесткая конкуренция между поставщиками услуг глобальных сетей приводит к быстрому появлению новых возможностей передачи данных.