Методы коммутации информации

Коммутация –   switching – процесс соединения абонентов коммуникационной сети через транзитные узлы.

Любые сети связи поддерживают некоторый способ коммутации своих абонентов между собой. Этими абонентами могут быть удаленные компьютеры, локальные сети, факс-аппараты или просто собеседники, общающиеся с помощью телефонных аппаратов. Практически невозможно предоставить каждой паре взаимодействующих абонентов свою собственную некоммутируемую физическую линию связи, которой они могли бы монопольно "владеть" в течение длительного времени. Поэтому в любой сети всегда применяется какой-либо способ коммутации абонентов, который обеспечивает доступность имеющихся физических каналов одновременно для нескольких сеансов связи между абонентами сети.

Абоненты соединяются с коммутаторами индивидуальными линиями связи, каждая из которых используется в любой момент времени только одним, закрепленным за этой линией абонентом. Между коммутаторами линии связи разделяются несколькими абонентами, то есть используются совместно.

Существуют три принципиально различные схемы коммутации абонентов в сетях: коммутация каналов – circuit switching, коммутация пакетов – packet switching и коммутация сообщений – message switching.

Сети с коммутацией пакетов и с коммутацией каналов можно разделить на два класса по другому признаку – на сети с динамической коммутацией и сети с постоянной коммутацией.

В первом случае сеть разрешает устанавливать соединение по инициативе пользователя сети. Коммутация выполняется на время сеанса связи, а затем (опять же по инициативе одного из взаимодействующих пользователей) связь разрывается. В общем случае любой пользователь сети может соединиться с любым другим пользователем сети.

Во втором случае сеть не предоставляет пользователю возможность выполнить динамическую коммутацию с другим произвольным пользователем сети. Вместо этого сеть разрешает паре пользователей заказать соединение на длительный период времени. Соединение устанавливается не пользователями, а персоналом, обслуживающим сеть. Режим постоянной коммутации в сетях с коммутацией каналов часто называется сервисом выделенных линий.

Выделенная линия – dedicated line – линия связи (канал передачи данных), установленная постоянно или на длительное время. Такой канал может называться также арендуемым (leased), т.к. оборудование обычно принадлежит телекоммуникационным компаниям и сдается ими в аренду для исключительного пользования.

Коммутация каналов

Коммутация каналов подразумевает образование непрерывного составного физического канала из последовательно соединенных отдельных канальных участков для прямой передачи данных между узлами. Отдельные каналы соединяются между собой специальной аппаратурой – коммутаторами, которые могут устанавливать связи между любыми конечными узлами сети. В сети с коммутацией каналов перед передачей данных всегда необходимо выполнить процедуру установления соединения, в процессе которой и создается составной канал.

Коммутаторы, а также соединяющие их каналы должны обеспечивать одновременную передачу данных нескольких абонентских каналов. Для этого они должны быть высокоскоростными и поддерживать какую-либо технику мультиплексирования абонентских каналов.

В настоящее время для мультиплексирования абонентских каналов используются две техники:

- техника частотного мультиплексирования – frequency d ivision m ultiplexing (FDM);

- техника мультиплексирования с разделением времени – t ime d ivision m ultiplexing (TDM).

Сети с коммутацией каналов обладают несколькими важными общими свойствами независимо от того, какой тип мультиплексирования в них используется.

Сети с динамической коммутацией требуют предварительной процедуры установления соединения между абонентами. Для этого в сеть передается адрес вызываемого абонента, который проходит через коммутаторы и настраивает их на последующую передачу данных. Запрос на установление соединения маршрутизируется от одного коммутатора к другому и, в конце концов, достигает вызываемого абонента. Сеть может отказать в установлении соединения, если емкость требуемого выходного канала уже исчерпана. Сеть отказывает в соединении также в том случае, если запрашиваемый абонент уже установил соединение с кем-нибудь другим. В первом случае говорят, что занят коммутатор, а во втором – абонент. Возможность отказа в соединении является недостатком метода коммутации каналов.

Недостатком сетей с коммутацией каналов является невозможность применения пользовательской аппаратуры, работающей с разной скоростью. Отдельные части составного канала работают с одинаковой скоростью, так как сети с коммутацией каналов не буферизуют данные пользователей.

Сети с коммутацией каналов хорошо приспособлены для коммутации потоков данных постоянной скорости, когда единицей коммутации является не отдельный байт или пакет данных, а долговременный синхронный поток данных между двумя абонентами. Для таких потоков сети с коммутацией каналов добавляют минимум служебной информации для маршрутизации данных через сеть, используя временную позицию каждого бита потока в качестве его адреса назначения в коммутаторах сети.

Коммутация пакетов

Коммутация пакетов – это техника коммутации абонентов, которая была специально разработана для эффективной передачи компьютерного трафика. Эксперименты по созданию первых компьютерных сетей на основе техники коммутации каналов показали, что этот вид коммутации не позволяет достичь высокой общей пропускной способности сети. Суть проблемы заключается в пульсирующем характере трафика, который генерируют типичные сетевые приложения. Например, при обращении к удаленному файловому серверу пользователь сначала просматривает содержимое каталога этого сервера, что порождает передачу небольшого объема данных. Затем он открывает требуемый файл в текстовом редакторе, и эта операция может создать достаточно интенсивный обмен данными, особенно если файл содержит объемные графические включения. После отображения нескольких страниц файла пользователь некоторое время работает с ними локально, что вообще не требует передачи данных по сети, а затем возвращает модифицированные копии страниц на сервер – и это снова порождает интенсивную передачу данных по сети.

Если для описанной сессии организовать коммутацию канала между компьютером пользователя и сервером, то большую часть времени канал будет простаивать. В то же время коммутационные возможности сети будут использоваться – часть тайм-слотов или частотных полос коммутаторов будет занята и недоступна другим пользователям сети.

При коммутации пакетов все передаваемые пользователем сети сообщения разбиваются в исходном узле на сравнительно небольшие части, называемые пакетами. Сообщения могут иметь произвольную длину, от нескольких байт до многих мегабайт. Пакеты обычно тоже могут иметь переменную длину, но в узких пределах. Каждый пакет снабжается заголовком, в котором указывается адресная информация, необходимая для доставки пакета узлу назначения, а также номер пакета, который будет использоваться узлом назначения для сборки сообщения. Пакеты транспортируются в сети как независимые информационные блоки. Коммутаторы сети принимают пакеты от конечных узлов и на основании адресной информации передают их друг другу, а в конечном итоге – узлу назначения.

Коммутаторы пакетной сети отличаются от коммутаторов каналов тем, что они имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов, если выходной порт коммутатора в момент принятия пакета занят передачей другого пакета. В этом случае пакет находится некоторое время в очереди пакетов в буферной памяти выходного порта, а когда до него дойдет очередь, то он передается следующему коммутатору. Такая схема передачи данных позволяет сглаживать пульсации трафика на магистральных связях между коммутаторами и тем самым использовать их наиболее эффективным образом для повышения пропускной способности сети в целом.

Действительно, для пары абонентов наиболее эффективным было бы предоставление им в единоличное пользование скоммутированного канала связи, как это делается в сетях с коммутацией каналов. При этом способе время взаимодействия этой пары абонентов было бы минимальным, так как данные без задержек передавались бы от одного абонента другому. Простои канала во время пауз передачи абонентов не интересуют, для них важно быстрее решить свою собственную задачу. Сеть с коммутацией пакетов замедляет процесс взаимодействия конкретной пары абонентов, так как их пакеты могут ожидать в коммутаторах, пока по магистральным связям передаются другие пакеты, пришедшие в коммутатор ранее.

Тем не менее, общий объем передаваемых сетью компьютерных данных в единицу времени при технике коммутации пакетов будет выше, чем при технике коммутации каналов. Это происходит потому, что пульсации отдельных абонентов в соответствии с законом больших чисел распределяются во времени. Поэтому коммутаторы постоянно и достаточно равномерно загружены работой, если число обслуживаемых ими абонентов действительно велико. Однако коммутаторы более высокого уровня иерархии, которые обслуживают соединения между коммутаторами нижнего уровня, загружены более равномерно, и поток пакетов в магистральных каналах, соединяющих коммутаторы верхнего уровня, имеет почти максимальный коэффициент использования.

Коммутация сообщений

Под коммутацией сообщений понимается передача единого блока данных между транзитными компьютерами сети с временной буферизацией этого блока на диске каждого компьютера. Сообщение в отличие от пакета имеет произвольную длину, которая определяется не технологическими соображениями, а содержанием информации, составляющей сообщение. Транзитные компьютеры могут соединяться между собой как сетью с коммутацией пакетов, так и сетью с коммутацией каналов. Сообщение хранится в транзитном компьютере на диске, причем время хранения может быть достаточно большим, если компьютер загружен другими работами или сеть временно перегружена.

По такой схеме обычно передаются сообщения, не требующие немедленного ответа, чаще всего сообщения электронной почты. Режим передачи с промежуточным хранением на диске называется режимом "хранение-и-передача" – store-and-forward.

Режим коммутации сообщений разгружает сеть для передачи трафика, требующего быстрого ответа, например трафика службы WWW или файловой службы.

Количество транзитных компьютеров стараются по возможности уменьшить. Если компьютеры подключены к сети с коммутацией пакетов, то число промежуточных компьютеров обычно уменьшается до двух. Но если компьютеры связаны между собой телефонной сетью, то часто используется несколько промежуточных серверов, так как прямой доступ к конечному серверу может быть невозможен в данный момент из-за перегрузки телефонной сети или экономически невыгоден из-за высоких тарифов на дальнюю телефонную связь.

Техника коммутации сообщений появилась в компьютерных сетях раньше техники коммутации пакетов, но потом была вытеснена последней, как более эффективной по критерию пропускной способности сети. Запись сообщения на диск занимает достаточно много времени, кроме того, наличие дисков предполагает специализированные компьютеры в качестве коммутаторов, что удорожает сеть.

Сегодня коммутация сообщений работает только для некоторых не оперативных служб, причем чаще всего поверх сети с коммутацией пакетов, как служба прикладного уровня.

Протокольные реализации

 

Любой протокол реализуется техническим устройством либо может быть записан в виде пакета программ. В обоих случаях речь идет о протокольных реализациях. Естественно, что различные производители даже для одинаковых типов электронных машин создают разные реализации одного и того же протокола. Еще более сложный случай имеет место при реализации протокола в различных типах электронных машин, работающих с разными операционными системами. Во всех случаях возникает проблема конформности – соответствия созданного изделия (устройства, программы) установленным на него спецификациям. Оно определяется тестированием изделия на предмет соответствия определенному протоколу. Естественно, что тестирование должно производить независимая организация, не участвовавшая в создании этого изделия.

В структуре, показанной на рис. 14.1, тестирование на соответствие протоколу X заключается в сравнении тестируемого изделия с эталонной реализацией.

Рис. 14.1. Схема тестирования изделия.

При этом предполагается, что эталонная реализация строго и безошибочно выполняет все требования принятого протокола. Под эталонной реализацией и тестируемым изделием располагаются уже протестированные нормально функционирующие нижние уровни. Тестер является сложным информационным комплексом, способным вести обработку тестов, отображать получаемую информацию нужным образом, хранить данные в своей базе. Ему должен соответствовать тестовый ответчик, являющийся партнером по проводимой работе. Тестер и тестовый ответчик взаимодействуют друг с другом, осуществляя работу в соответствии с протоколом тестирования. Этот протокол определяет уведомление о начале и конце сеанса тестирования, проведение синхронизации действий партнеров, обеспечение индикации ошибок и неисправностей. Естественно, что тестер должен иметь возможности генерации контрольных примеров, на основе которых происходит проверка.

При тестировании используются два приема. При структурном тестировании осуществляется доступ внутрь тестируемого изделия (способ "белого ящика"). При функциональном тестировании исходят из того, что внутренность тестируемого изделия недоступна (способ "черного ящика"). В обоих случаях необходимо иметь эталонную реализацию.

С точки зрения теории тестируемое изделие рассматривается как конечный автомат, определяемый таблицей либо диаграммой переходов. Анализ начинается из начального состояния, при этом осуществляются все возможные переходы из одного состояния в другое. Исследуется реакция выходных сигналов изделия на входные воздействия.

Сетевые службы

 

Взаимодействие компьютеров между собой, а также с другим активным сетевым оборудованием, в TCP/IP-сетях организовано на основе использования сетевых служб, которые обеспечиваются специальными процессами сетевой операционной системы.

Специальные процессы операционной системы создают "слушающий" сокет и "привязывают" его к определенному порту (пассивное открытие соединения), обеспечивая тем самым возможность другим компьютерам обратиться к данной службе. Клиентская программа или процесс создаёт запрос на открытие сокета с указанием IP-адреса и порта сервера, в результате чего устанавливается соединение, позволяющее взаимодействовать двум компьютерам с использованием соответствующего сетевого протокола прикладного уровня.

Сокет – socket – название программного интерфейса для обеспечения обмена данными между процессами. Процессы при таком обмене могут исполняться как на одной ЭВМ, так и на различных ЭВМ, связанных между собой сетью. Сокет – абстрактный объект, представляющий конечную точку соединения. Сокет однозначно определяется парой значений: IP-адресом и номером порта.

Как правило, сетевые службы привязаны к определенному номеру порта. Номер порта для "привязки" службы выбирается в зависимости от его функционального назначения. За присвоение номеров портов определённым сетевым службам отвечает Администрация адресного пространства Интернет – Internet Assigned Numbers Authority (IANA).

Номера портов находятся в диапазоне 0 – 65535 и разделены на 3 категории:

– 0–1023 – общеизвестные порты;

– 1024–49151 – зарегистрированные порты;

– 49152–65535 – динамически используемые порты или порты, используемые внутри закрытых сетей.

Среди всего множества сетевых служб следует выделить следующие.

1. Службы, обеспечивающие работу в сети TCP/IP. К ним относятся службы DHCP, DNS и WINS.

Служба DHCP по запросу DHCP-клиента выдает ему такие параметры, как уникальный IP-адрес и маска подсети. Кроме них, клиент может получать от DHCP-сервера ряд дополнительных параметров, важных для взаимодействия с другими сетями и удобной работы в сети: адрес основного шлюза, адреса DNS- и WINS-серверов, название домена, в который входит этот компьютер, и некоторые другие.

Служба DNS выполняет преобразование (разрешение) имен узлов в соответствующие им IP-адреса. Служба DNS была реализована в Интернете в 1981 г., а с 2000 г. (с выходом ОС семейства Windows 2000) она стала основной службой преобразования имен в сетях Microsoft

Служба WINS регистрирует в сети NetBIOS-имена компьютеров и их IP-адреса, а затем по запросу WINS-клиентов преобразуют эти имена в IP-адреса. Название WINS (Windows Internet Name Service) правильно переводится как "служба межсетевых имен Windows"; эта служба была разработана, чтобы обеспечить поддержку работы NetBIOS- приложений в маршрутизируемых сетях на базе протокола TCP/IP. Сейчас она по-прежнему используется, чтобы в сети корректно работали такие устаревшие ОС, как Windows 9х или Windows NT.

2. Файловая служба обеспечивает хранение больших объемов данных и предоставляет к ним доступ пользователей. Один файловый сервер может поддерживать одновременную работу сотен и даже тысяч пользователей. Чтобы обеспечить сохранность информации, файл-серверы, как правило, оснащены отказоустойчивыми наборами (массивами) жестких дисков и системами резервного копирования на магнитную ленту или другой носитель.

3. Служба печати (принт-сервер) предназначена для обеспечения доступа пользователей к одному или нескольким общим принтерам. Она обеспечивает прием по сети задания на печать и управляет очередями заданий на печать, обычно обслуживая несколько печатающих устройств. Похожие функции выполняют и факс-серверы, обслуживающие клиентские задания на отправку факсов, но они, кроме того, отвечают за получение факсов и их доставку пользователям. Файл-серверы и серверы печати – это одни из наиболее часто встречающихся типов серверов

4. Служба приложений выполняет задачи обслуживания запросов пользователей на выборку или обработку какой-либо информации. Эта служба позволят одновременную работу с большим числом пользователей, причем выполнение клиентских запросов на специализированном многопроцессорном сервере производится намного быстрее, чем на компьютерах пользователей.

5. Служба удаленного доступа и серверы VPN (Virtual Private Network – "виртуальная частная сеть") обеспечивают удаленное подключение к локальной сети по модему или через Интернет. Это дает пользователям возможность работать с ресурсами локальной сети предприятия, офиса или учебного заведения из дома или из любого места, где есть подключение к Интернету, например из Интернет-кафе.

6. Служба терминалов предоставляет возможность работы с другими серверами через специальные программы – терминальные клиенты. С помощью этих программ администраторы, находясь вдалеке от локальной сети, оказываются как будто за консолью сервера и могут полностью управлять им, а пользователи могут удаленно работать с установленными на сервере приложениями.

7. Брандмауэры (межсетевые экраны) используются при подключении к Интернету для защиты внутренней сети от проникновения или атаки злоумышленников на корпоративные серверы. Прокси-серверы (серверы-посредники) выполняют функции контроля доступа пользователей в Интернет и кэширования часто запрашиваемых веб-страниц (что позволяет снизить расходы на пользование Интернетом). Поскольку оба этих сервера предназначены для установки на компьютер, связывающий локальную сеть с Интернетом, их часто объединяют в единую программно-аппаратную систему.

8. Служба электронной почты (почтовые серверы, mail-серверы) обслуживает почтовые ящики пользователей в данной организации, обеспечивая подключения к ним почтовых клиентов, а также обрабатывает все входящие и исходящие сообщения. Ее также можно использовать для ведения адресных книг, общих папок и систем электронного документооборота.

9. Службы Web и FTP предоставляют для внешних (а часто – и для внутренних) пользователей доступ к Web- и FTP-ресурсам, размещенным в данной сети.

Этот список сетевых служб далеко не полон, существуют и другие типы служб. Однако перечисленные выше их разновидности можно найти практически в любой корпоративной сети.

При разработке сетевых служб приходится решать проблемы, которые свойственны любым распределенным приложениям: определение протокола взаимодействия между клиентской и серверной частями, распределение функций между ними, выбор схемы адресации приложений и др.

Одним из главных показателей качества сетевой службы является ее удобство. Для одного и того же ресурса может быть разработано несколько служб, по-разному решающих одну и ту же задачу. Отличия могут заключаться в производительности или в уровне удобства предоставляемых услуг. Качество сетевой службы зависит и от качества пользовательского интерфейса – интуитивной понятности, наглядности, рациональности.

При определении степени удобства разделяемого ресурса часто употребляют термин "прозрачность". Прозрачный доступ – это такой доступ, при котором пользователь не замечает, где расположен нужный ему ресурс – на его компьютере или на удаленном.

Для обеспечения прозрачности важен способ адресации (именования) разделяемых сетевых ресурсов. Имена разделяемых сетевых ресурсов не должны зависеть от их физического расположения на том или ином компьютере. В идеале пользователь не должен ничего менять в своей работе, если администратор сети переместил том или каталог с одного компьютера на другой. Сам администратор и сетевая операционная система имеют информацию о расположении файловых систем, но от пользователя она скрыта. Такая степень прозрачности пока редко встречается в сетях, обычно для получения доступа к ресурсам определенного компьютера сначала приходится устанавливать с ним логическое соединение.