3.Проблеми зв'язку декількох комп'ютерів (топологія фізичних зв'язків, адресація вузлів у мережі, комутація).

Топологія фізичних зв'язків 

Під топологією мережі розуміється конфігурація графа, вершинам якого відповідають кінцеві вузли мережі (наприклад, комп'ютери) і комунікаційне устаткування (наприклад, маршрутизатори), а ребрам - фізичні або інформаційні зв'язки між вершинами.

Число можливих варіантів конфігурацій різко зростає при збільшенні числа пов'язуюючих пристроїв. Так, якщо три комп'ютери ми можемо зв'язати двома способами , то для чотирьох можна запропонувати вже шість топологічно різних конфігурацій (за умови нерозрізненості комп'ютерів), що й ілюструє .

 Ми можемо поєднувати кожен комп'ютер з кожним або ж зв'язувати їх послідовно, припускаючи, що вони будуть спілкуватися, передаючи повідомлення один одному «транзитом». Транзитні вузли повинні бути оснащені спеціальними засобами, що дозволяють їм виконувати цю специфічну посередницьку операцію. В якості транзитного вузла може виступати як універсальний комп'ютер, так і спеціалізований пристрій.

Від вибору топології зв'язків істотно залежать характеристики мережі. Наприклад, наявність між вузлами декількох шляхів підвищує надійність мережі і робить можливим балансування завантаження окремих каналів. Простота приєднання нових вузлів, властива деяким топологіям, робить мережу легко розширюваною. Економічні міркування часто призводять до вибору топологій, для яких характерна мінімальна сумарна довжина ліній зв'язку.

Серед безлічі можливих конфігурацій розрізняють повнозв'язні і неповнозв'язні.

Повнозв'язна топологія відповідає мережі, в якій кожен комп'ютер безпосередньо пов'язаний з усіма іншими. Незважаючи на логічну простоту, цей варіант виявляється громіздким і неефективним. Дійсно, в такому випадку кожен комп'ютер в мережі повинен мати велику кількість комунікаційних портів, достатню для зв'язку з кожним з інших комп'ютерів мережі. Для кожної пари комп'ютерів повинна бути виділена окрема фізична лінія зв'язку. Стандартні топології в крупних мережах застосовуються рідко, так як для зв'язку N вузлів необхідно N(N-1)/2 фізичних дуплексних ліній зв'язків, тобто має місце квадратична залежність від числа вузлів. Найчастіше цей вид топології використовується в багатомашинних комплексах або в мережах, які об'єднують невелику кількість комп'ютерів.

 Всі інші варіанти засновані на неповнозв'язних топологіях, коли для обміну даними між двома комп'ютерами може знадобитися транзитна передача даних через інші вузли мережі.

Комірчаста топологія виходить з повнозв'язної шляхом видалення деяких зв'язків Комірчаста топологія допускає з'єднання великої кількості комп'ютерів і характерна, як правило, для великих мереж. У мережах зкільцевою топологією дані передаються по кільцю від одного комп'ютера до іншого. Головною перевагою кільця є те, що воно за своєю природою забезпечує резервування зв'язків. Дійсно, будь-яка пара вузлів з'єднана тут двома шляхами - за годинниковою стрілкою і проти неї. Кільце являє собою дуже зручну конфігурацію і для організації зворотного зв'язку - дані, зробивши повний оборот, повертаються до вузла-джерела. Тому джерело може контролювати процес доставки даних адресату. Часто ця властивість кільця використовується для тестування зв'язності мережі і пошуку вузла, що працює некоректно. У той же час в мережах з кільцевою топологією необхідно приймати спеціальні заходи, щоб у разі виходу з ладу або відключення будь-якого комп'ютера не переривався канал зв'язку між іншими вузлами кільця.

Зіркоподібна топологія утворюється у випадку, коли кожен комп'ютер підключається безпосередньо до загального центрального пристрою, що зветься концентратором (термін «концентратор» використовується в широкому сенсі, позначаючи будь-який багатовхідний пристрій, здатний служити центральним елементом, наприклад комутатор або маршрутизатор). У функції концентратора входить напрямок переданої комп'ютером інформації одному або всім іншим комп'ютерам мережі. В якості концентратора може виступати як універсальний комп'ютер, так і спеціалізований пристрій. До недоліків топології типу зірка відноситься більш висока вартість мережевого обладнання через необхідність придбання спеціалізованого центрального пристрою. Крім того, можливості з нарощування кількості вузлів у мережі обмежуються кількістю портів концентратора. Іноді має сенс будувати мережу з використанням декількох концентраторів, ієрархічно сполучених між собою зв'язками типу зірка (рис. 3.8, д). Одержану в результаті структуру називають ієрархічною зіркою, а також деревом. В даний час дерево є найпоширенішою топологією зв'язків як в локальних, так і глобальних мережах.

У той час як невеликі мережі, як правило, мають типову топологію - зірка, кільце або загальна шина, для великих мереж характерна наявність довільних зв'язків між комп'ютерами. У таких мережах можна виділити окремі довільно пов'язані фрагменти (підмережі), що мають типову топологію, тому їх називають мережами зі змішаною топологією.

Адресація вузлів мережі

За кількістю адресованих інтерфейсів адреси можна класифікувати наступним чином:

□ унікальна адреса (unicast) використовується для ідентифікації окремих інтерфейсів;

□ групова адреса (multicast) ідентифікує відразу кілька інтерфейсів, тому дані, помічені груповою адресою, доставляються кожному з вузлів, що входять в групу;

□ дані, спрямовані по широкомовній адресі (broadcast), повинні бути доставлені всім вузлам мережі;

□ в новій версії протоколу IPv6 визначено адресу довільній розсилки (Anycast), яка, так само як і групова адреса, задає групу адрес, проте дані, надіслані за цією адресою, повинні бути доставлені не всіма адресами даної групи, а будь-якої з них.

Адреси можуть бути числовими (наприклад, 129.26.255.255 або 81.la.ff.ff) і символьними (site.domen.ru, willi-winki).

Символьні адреси (імена) призначені для запам'ятовування людьми і тому звичайно несуть смислове навантаження. Безліч всіх адрес, які є допустимими в рамках деякої схеми адресації називається адресним простором.

Адресний простір може мати плоску (лінійну) організацію (рис. 3.10) або ієрархічну організацію (рис. 3.11).

При плоскій організації безліч адрес ніяк не структуровані. Прикладом плоскої числової адреси є МАС-адреса, призначена для однозначної ідентифікації мережевих інтерфейсів в локальних мережах.

 При ієрархічній організації адресний простір організовано у вигляді вкладених одна в одну підгруп, які, послідовно звужуючи адресуються область, зрештою, визначають окремий мережевий інтерфейс.

Для перетворення адрес з одного виду в інший використовуються спеціальні допоміжні протоколи, які називають протоколами дозволу адрес.

Користувачі адресують комп'ютери ієрархічними символьними іменами, які автоматично замінюються у повідомленнях, переданих по мережі, ієрархічними числовими адресами. За допомогою цих числових адрес повідомлення передаються з однієї мережі в іншу, а після доставки повідомлення у мережу призначення замість ієрархічного числового адреси використовується плоска апаратна адреса комп'ютера. Проблема встановлення відповідності між адресами різних типів може вирішуватися як централізованими, так і розподіленими засобами.

Комутація

З'єднання кінцевих вузлів через мережу транзитних вузлів називають комутацією. Послідовність вузлів, що лежать на шляху від відправника до одержувача, утворює маршрут.

Узагальнена задача комутації

В узагальненому вигляді завдання комутації може бути представлена ​​у вигляді таких взаємопов'язаних окремих завдань.

1. Визначення інформаційних потоків, для яких потрібно прокладати маршрути.

2. Маршрутизація потоків.

3. Просування потоків, тобто розпізнавання потоків і їх локальна комутація на кожному транзитному вузлі.

4. Мультиплексування і демультиплексування потоків.