2 Сетевые интерфейсы

Интерфейс — в широком смысле — формально определенная логическая и/или физическая

граница между взаимодействующими независимыми объектами. Интерфейс задает параметры,

процедуры и характеристики взаимодействия объектов.

Разделяют физический и логический интерфейсы.

• Физический интерфейс (называемый также портом) — определяется набором элек-

трических связей и характеристиками сигналов. Обычно он представляет собой разъем

с набором контактов, каждый из которых имеет определенное назначение, например,

это может быть группа контактов для передачи данных, контакт синхронизации данных

и т. п. Пара разъемов соединяется кабелем, состоящим из набора проводов, каждый из

которых соединяет соответствующие контакты. В таких случаях говорят о создании

линии, или канала, связи между двумя устройствами.

• Логический интерфейс (называемый также протоколом) — это набор информацион-

ных сообщений определенного формата, которыми обмениваются два устройства или

две программы, а также набор правил, определяющих логику обмена этими сообще-

ниями.

Рисунок просто для понимания =)

Интерфейс компьютер—компьютер позволяет двум компьютерам обмениваться ин-

формацией.

Интерфейс компьютер—периферийное устройство (в данном случае интерфейс

компьютер—принтер) позволяет компьютеру управлять работой периферийного

устройства (ПУ).

3 Характеристики физических каналов

• Предложенная нагрузка — это поток данных, поступающий от пользователя на вход

сети. Предложенную нагрузку можно характеризовать скоростью поступления данных

в сеть в битах в секунду (или килобитах, мегабитах и т. д.).

• Скорость передачи данных (information rate или throughput, оба английских термина

используются равноправно) — это фактическая скорость потока данных, прошедшего

через сеть. Эта скорость может быть меньше, чем скорость предложенной нагрузки, так

как данные в сети могут искажаться или теряться.

• Емкость канала связи (capacity), называемая также пропускной способностью, пред-

ставляет собой максимально возможную скорость передачи информации по каналу.

битовой скоростью передатчика – скорость, с которой должен работать передатчик коммуникационного устройства = пропускной способности канала. Отражает параметры физической среды передачи и особенности выбранного способа передачи дискретной информации по этой среде.

Полоса пропускания 1) характеризует среду передачи - означает ширину полосы частот, которую линия передает без существенных искажений. [Гц]

2) синоним емкость канала связи – [бит/с]

Физические каналы связи делятся на несколько типов в зависимости от того, могут они

передавать информацию в обоих направлениях или нет.

• Дуплексный канал обеспечивает одновременную передачу информации в обоих на-

правлениях. Дуплексный канал может состоять их двух физических сред, каждая их

которых используется для передачи информации только в одном направлении. Воз-

можен вариант, когда одна среда служит для одновременной передачи встречных по-

токов, в этом случае применяют дополнительные методы выделения каждого потока

из суммарного сигнала.

• Полудуплексный канал также обеспечивает передачу информации в обоих направ-

лениях, но не одновременно, а по очереди. То есть в течение определенного периода

времени информация передается в одном направлении, а в течение следующего пе-

риода — в обратном.

• Симплексный канал позволяет передавать информацию только в одном направлении.

Часто дуплексный канал состоит из двух симплексных каналов.

4Топология сетей

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 связы-

ваемых устройств. Для трёх 2 конфигурации, для 4 уже 6.

Среди множества возможных конфигураций различают полносвязные и неполно-

связные.

Полносвязная топология (рис. 2.10, а) соответствует сети, в которой каждый компьютер

непосредственно связан со всеми остальными. Громоздкий и неэффективный вариант, так как каждый

компьютер в сети должен иметь большое количество коммуникационных портов и для каждой пары компьютеров

должна быть выделена отдельная физическая линия связи. Чаще используется в многомашинных комплексах или в сетях, объединяющих небольшое количество компьютеров. Рис. 2.10 (а)

неполносвязная топология, когда для обмена данными между двумя компьютерами может потребоваться транзитная передача данных через другие узлы сети.

Ячеистая топология1 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.

кольцевая топология (рис. 2.10, в) данные передаются по кольцу от одного компьютера к другому. Главным достоинством: обеспечивает резервирование связей (любая пара узлов соединена здесь двумя путями — по часовой стрелке и против нее). «+» удобная конфигурация для организации обратной связи — данные, сделав полный оборот, возвращаются к узлу-источнику. Поэтому источник может контролировать процесс доставки данных адресату. Часто это используется для тестирования связности сети и поиска узла, работающего некорректно. «-» 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, когда каждый компьютер подключается непосредственно к общему центральному устройству (концентратору). Он направляет передаваемую компьютером информацию одному или всем остальным компьютерам сети. «-» более высокая стоимость сетевого оборудования из-за необходимости приобретения специализированного центрального устройства; возможности по наращиванию количества узлов в сети ограничиваются количеством портов концентратора.

иерархическая звезда (дерево) - сеть с использованием нескольких концентраторов, иерархически соединенных между собой звездообразными связями (рис. 2.10, д). В настоящее время дерево является самой распространенной топологией связей как в локальных, так и глобальных сетях.

общая шина (рис. 2.10, е). Здесь в качестве центрального элемента выступает пассивный кабель, к которому по схеме «монтажного «ИЛИ» подключается несколько компьютеров. Передаваемая информация распространяется по кабелю и доступна одновременно всем компьютерам, присоединенным к этому кабелю. «+»дешевизна и простота присоединения новых узлов к сети. «-»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).

сети со смешанной топологией (рис. 2.11). Можно выделить отдельные произвольно связанные фрагменты

(подсети), имеющие типовую топологию. Для крупных сетей.

5 Адресация узлов сети

По количеству адресуемых интерфейсов адреса можно классифицировать следующим

образом:

• уникальный адрес (unicast) используется для идентификации отдельных интерфей-

сов;

• 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 до-

ставлены 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 это-

му 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). Последние удобны длязапоминания, но 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.

Организация адресного пространства:

плоская (линейная) (рис. 2.12) - множество адресов никак не структурировано. Пример МАС-адрес. Их обычно встраивают 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.

При иерархической организации (рис. 2.13). адресное пространство структурируется в виде вложенных друг в друга подгрупп, которые, последовательно сужая адресуемую область, в конце концов, определяют отдельный сетевой интерфейс.

На практике обычно применяют сразу несколько схем адресации, так что сетевой интерфейс компьютера может одновременно иметь несколько адресов-имен. Для преобразования адресов из одного вида в другой используются специальные протоколы ( протоколы разрешения адресов).

Проблема установления соответствия между адресами различных типов может решаться 2мя подходами:

Централизованный - в сети выделяется один или несколько компьютеров (серверов имен), в которых хранится таблица соответствия имен различных типов. Все остальные компьютеры обращаются к серверу имен с запросами.

распределенный - каждый компьютер сам хранит все назначенные ему адреса разного типа. Компьютер, 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. «+» позволяет отказаться от выделения специального компьютера в качестве сервера имен, «-»необходимость широковещательных сообщений, перегружающих сеть. Именно поэтому распределенный подход используется в небольших сетях, а централизованный — в больших.

6Определение информационных потоков

Информационным потоком, или потоком данных, называют непрерывную последовательность

данных, объединенных набором общих признаков, выделяющих эти данные из общего сетевого

трафика.

Данные, образующие поток, могут быть представлены в виде различных информационных единиц данных — пакетов, кадров или ячеек.

Признаки потока могут иметь 2 значения:

глобальное - однозначно определяют поток в пределах всей сети

локальное — однозначно определяют поток в пределах одного транзитного узла.

Метка потока — это особый тип признака. Она представляет собой некоторое число, ко-

торое несут все данные потока. Глобальная метка назначается данным потока и не меняет

своего значения на всем протяжении его пути следования от узла источника до узла назначения, таким образом, она уникально определяет поток в пределах сети. Локальные метки потока динамически меняют свое значе-

ние при передаче данных от одного узла к другому.

Таким образом, распознавание потоков во время коммутации происходит на основании признаков, в качестве которых, помимо обязательного адреса назначения данных, могут выступать и другие признаки, такие, например, как идентификаторы приложений.

7 Маршрутизация

Задача маршрутизации, включает в себя две подзадачи:

• определение маршрута (выбрать последовательность транзитных узлов и их интерфейсов, через которые надо передавать данные, чтобы доставить их адресату.);

• оповещение сети о выбранном маршруте.

Маршрут может определяться:

• эмпирически («вручную») администратором сети на основании различных часто не формализуемых

соображений. Среди побудительных мотивов выбора пути могут быть: особые требования к сети со стороны различных типов приложений, решение передавать трафик через сеть определенного поставщика услуг, предположения о пиковых нагрузках на некоторые каналы сети, соображения безопасности.

Однако он мало пригоден для большой сети со сложной топологией.

• автоматически - конечные узлы и другие устройства сети оснащаются специальными программными

средствами, которые организуют взаимный обмен служебными сообщениями, позволяющий каждому узлу составить свое «представление» о сети. Затем определяются рациональные маршруты.

Абстрактный способ измерения степени близости между двумя объектами называется метрикой. Метрика маршрута равна сумме метрик составляющих его каналов.

После того как маршрут определен (вручную или автоматически), надо оповестить о нем

все устройства сети. Сообщение о маршруте должно нести каждому транзитному устрой-

ству примерно такую информацию: «каждый раз, когда в устройство поступят данные, от-

носящиеся к потоку п, их следует передать для дальнейшего продвижения на интерфейс F».

Каждое подобное сообщение о маршруте обрабатывается устройством, в результате соз-

дается новая запись в таблице коммутации.

Передача информации транзитным устройствам о выбранных маршрутах, так же как и определение маршрута, может осуществляться вручную или автоматически. Администратор сети может зафиксировать маршрут,

например, жестко скоммутировав на длительное время определенные пары входных и выходных интерфейсов. Он может также по собственной инициативе внести запись о маршруте в таблицу коммутации. Однако на практике чаще выбирают автоматический режим поскольку топология и состав информационных потоков могут меняться, гибкое решение задач определения и задания маршрутов предполагает постоянный анализ состояния сети и обновление маршрутов и таблиц коммутации.

8. Мультиплексирование/демультиплексирование.

Демультиплексирование — разделение суммарного агрегированного потока на несколько

составляющих его потоков.

Мультиплексирование — образование из нескольких о -дельных потоков общего агрегирован-

ного потока, который передается по одному физическому каналу связи.

Способы мультиплексирования:

разделение времени. При этом способе каждый поток время от времени (с фиксированным или случайным

периодом) получает физический канал в полное свое распоряжение и передает по нему свои данные.

частотное разделение канала, когда каждый потокпередает данные в выделенном ему частотное диапазоне.

Вообще говоря, на каждом интерфейсе могут одновременно выполняться обе функции —

мультиплексирование и демультиплексирование.

Частный случай коммутатора, у которого все входящие информационные потоки коммутируются

на один выходной интерфейс, где они мультиплексируются в один агрегированный поток, на-

зывается мультиплексором. Коммутатор, который имеет один входной интерфейс и несколько

выходных, называется демультиплексором (рис. 2.19).

9. Разделяемая среда передачи данных.

В настоящее время в компьютерных сетях основным является режим, когда линия связи является

дуплексным каналом связи (т.е. разделяемая среда отсутствует), как это показано на рис. 2.20, каждый из интерфейсов монопольно использует канал связи в направлении «от себя». Это объясняется тем, что дуплексный канал состоит из двух независимых сред передачи данных (подканалов), и так как только передатчик интерфейса является активным устройством, а приемник пассивно ожидает поступления сигналов от приемника, то конкуренции подканалов не возникает.

В наиболее простом случае эффект разделения среды возникает при соединении двух интерфейсов с помощью полудуплексного канала связи, то есть такого канала, который может передавать данных в любом направлении, но только попеременно (рис. 2.21).

Разделяемой средой (shared medium) называется физическая среда передачи данных, к которой непосредственно подключено несколько передатчиков узлов сети. Причем в каждый момент времени только один из передатчиков какого-либо узла сети получает доступ к разделяемой среде и использует ее для передачи данных приемнику другого узла, подключенному к этой же среде.

Способы решения задачи организации совместного доступа к разделяемым линиям связи:

Централизованный когда доступом к каналу управляет специальное устройство — арбитр,

Децентрализованный – устройство сети самостоятельно определяет порядок доступа к разделяемой среде.

Основной причиной отказа от разделяемой среды явилась ее низкая и плохо

предсказуемая производительность, а также плохая масштабируемость. Недостатки являются следствием самого принципа разделения среды, поэтому преодолеть их полностью невозможно. Появление в начале 90-х недорогих коммутаторов локальных сетей привело к настоящей революции в этой области, и постепенно коммутаторы вытеснили разделяемую среду полностью.

Сегодня механизм разделения среды используется только в беспроводных локальных сетях, где среда — радиоэфир — естественным образом соединяет все конечные узлы, находящиеся в зоне распространения сигнала.

10. Коммутация каналов.

Элементарный канал (или просто канал) — это базозая техническая характеристика сети с коммутацией каналов, представляющая собой некоторое фиксированное в пределах данного типа сетей значение пропускной способности. Любая линия связи в сети с коммутацией каналов имеет пропускную способность, кратную элементарному каналу, принятому для данного типа сети. «канал» значение единицы пропускной способности.

Особенностью сетей с коммутацией каналов является го, что пропускная способность каждой линии связи должна быть равна целому числу элементарных каналов.

Связь, построенную путем коммутации (соединен ия) элементарных каналов, называют составным каналом.

Свойства составного канала

• составной канал на всем своем протяжении состоит из одинакового количества элементарных каналов; '

• составной канал имеет постоянную и фиксированную пропускную способность на всем

своем протяжении;

• составной канал создается временно на период сеанса связи двух абонентов;

• на время сеанса связи все элементарные каналы, входящие в составной канал, поступают в исключительное пользование абонентов, для которых был создан этот составной канал;

• в течение всего сеанса связи абоненты могут посылать в сеть данные со скоростью, не превышающей пропускную способность составного канала;

• данные, поступившие в составной канал, гарантированно доставляются вызываемому абоненту без задержек, потерь и с той же скоростью (скоростью источника) вне зависимости от того, существуют ли в это время в сети другие соединения или нет;

• после окончания сеанса связи элементарные каналы, входившие в соответствующий составной канал, объявляются свободными и возвращаются в пул распределяемых ресурсов для использования другими абонентами.

Продвижение данных в сетях с коммутацией каналов происходит в два этапа:

1. В сеть поступает служебное сообщение — запрос, который несет адрес вызываемого абонента и организует создание составного канала.

2. По подготовленному составному каналу передается основной поток данных, для передачи которого уже не требуется никакой вспомогательной информации, в том числе адреса вызываемого абонента. Коммутация данных в коммутаторах выполняется на основе локальных признаков — номеров элементарных каналов.

Отказ в установлении соединения происходит, если на пути между вызывающим и вызываемым абонентами отсутствуют свободные элементарные каналы или вызываемый узел занят.

Статический ручной режим установления соединения характерен для случаев, когда необходимо установить составной канал на более долгий срок. Он создается администратором сети. Применяется для создания высокоскоростных телекоммуникационных каналов между городами и странами на более-менее постоянной

основе.

Сеть с коммутацией каналов как система трубопроводов

Сначала по заданному адресу проверяется доступность необходимых элементарных каналов на всем пути от отправителя до адресата. Затем эти каналы закрепляются на все время сеанса для исключительного использования двумя абонентами и коммутируются в один непрерывный «трубопровод» (составной канал), имеющий

«шлюзовые задвижки» на стороне каждого из абонентов. После остается «открыть шлюзы» и позволить

информационному потоку свободно и без помех «перетекать» между заданными точками сети (рис. 3.4).

Неэффективность при передаче

пульсирующего трафика

Сети с коммутацией каналов наиболее эффективно передают пользовательский трафик

в том случае, когда скорость его постоянна в течение всего сеанса связи и максимально

соответствует фиксированной пропускной способности физических линий связи сети.

Эффективность работы сети снижается, когда информационные потоки, генерируемые

абонентами, приобретают пульсирующий характер.

Для эффективной передачи неравномерного компьютерного трафика была специально

разработана техника коммутации пакетов.

11 Коммутация пакетов

Сети с коммутацией пакетов, так же как и сети с коммутацией каналов, состоят из коммутаторов, связанных физическими линиями связи.

Сеть с коммутацией пакетов не создает заранее для своих абонентов отдельных, выделенных исключительно для них каналов связи. Данные могут задерживаться и даже теряться по пути следования.

Важнейшим принципом функционирования сетей с коммутацией пакетов является представление информации, передаваемой по сети, в виде структурно отделенных друг от друга порций данных, называемых пакетами.

Каждый пакет снабжен заголовком (рис. 3.5), в котором содержится адрес назначения. Помимо заголовка у пакета может иметься еще одно дополнительное поле, размещаемое в конце пакета и поэтому называемое концевиком. В концевике обычно помещается контрольная сумма, которая позволяет проверить, была ли искажена информация при передаче через сеть или нет.

Разделение данных на пакеты позволяет передавать неравномерный компьютерный трафик более эффективно, чем в сетях с коммутацией каналов. когда линия связи передает трафик большого количества конечных узлов, то в суммарном потоке пульсации сглаживаются, и пропускная способность линии используется более рационально, без длительных простоев.

12 Буферизация пакетов

Главное отличие пакетных коммутаторов от коммутаторов в сетях с коммутацией каналов состоит в том, что они имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов. Коммутатор проверяет контрольную сумму, и только если она говорит о том, что данные пакета не искажены, начинает обрабатывать пакет и по

адресу назначения определяет следующий коммутатор. Поэтому каждый пакет последовательно бит за битом помещается во входной буфер. Имея в виду это свойство, говорят, что сети с коммутацией пакетов используют технику сохранения с продвижением.

Коммутатору нужны буферы для согласования скоростей передачи данных в линиях связи, подключенных к его интерфейсам. Действительно, если скорость поступления пакетов из одной линии связи в течение некоторого периода превышает пропускную способность той линии связи, в которую эти пакеты должны быть направлены, то во избежание потерь пакетов на целевом интерфейсе необходимо организовать выходную очередь

Буферизация необходима пакетному коммутатору также для согласования скорости поступления пакетов со скоростью их коммутации. Если коммутирующий блок не успевает обрабатывать пакеты (анализировать заголовки и перебрасывать пакеты на нужный интерфейс), то на интерфейсах коммутатора возникают входные очереди.

Пакетный коммутатор может работать на основании одного из трех методов продвижения пакетов:

• дейтаграммная передача;

• передача с установлением логического соединения;

• передача с установлением виртуального канала.

13 Дейтаграммная передача

Дейтаграммный способ передачи данных основан на том, что все передаваемые пакеты продвигаются (передаются от одного узла сети другому) независимо друг от друга на основании одних и тех же правил.

Процедура обработки пакета определяется только значениями параметров, которые он несет в себе, и текущим состоянием сети (например, в зависимости от ее нагрузки пакет может стоять в очереди на обслуживание большее или меньшее время). Однако никакая информация об ужепереданных пакетах сетью не хранится и в ходе обработки очередного пакета во внимание не принимается. То есть каждый отдельный пакет рассматривается сетью как совершенно независимая единица передачи — дейтаграмма.

Решение о продвижении пакета принимается на основе таблицы коммутации, ставящей в соответствие адресам назначения пакетов информацию, однозначно определяющую следующий по маршруту транзитный (или конечный) узел.

В таблице коммутации для одного и того же адреса назначения может содержаться несколько записей, указывающих соответственно на различные адреса следующего коммутатора. Такой подход называется балансом нагрузки и используется для повышения производительности и надежности сети.

Дейтаграммный метод работает быстро, так как никаких предварительных действий перед отправкой данных проводить не требуется. Однако при таком методе трудно проверить факт доставки пакета узлу назначения. Этот метод не гарантирует доставку пакета, он делает это по мере возможности — для описания такого свойства используется термин доставка с максимальными усилиями (best effort).