Принципы работы, ограничения и возможности коммутаторов, концентраторов, маршрутизаторов, мостов и шлюзов. Технология мультиплексирования.
Сетевой коммутатор (жарг. свитч от англ. switch — переключатель) — устройство, предназначенное для соединения нескольких узлов компьютерной сети в пределах одного или нескольких сегментов сети. Коммутатор работает на канальном (втором) уровне модели OSI.
В отличие от концентратора, который распространяет трафик от одного подключенного устройства ко всем остальным, коммутатор передаёт данные только непосредственно получателю (исключение составляет широковещательный трафик всем узлам сети и трафик для устройств, для которых не известен исходящий порт коммутатора). Это повышает производительность и безопасность сети, избавляя остальные сегменты сети от необходимости (и возможности) обрабатывать данные, которые им не предназначались.
Существует три способа коммутации. Каждый из них — это комбинация таких параметров, как время ожидания и надёжность передачи.
С промежуточным хранением (Store and Forward). Коммутатор читает всю информацию в кадре, проверяет его на отсутствие ошибок, выбирает порт коммутации и после этого посылает в него кадр.
Сквозной (cut-through). Коммутатор считывает в кадре только адрес назначения и после выполняет коммутацию. Этот режим уменьшает задержки при передаче, но в нём нет метода обнаружения ошибок.
Бесфрагментный (fragment-free) или гибридный. Этот режим является модификацией сквозного режима. Передача осуществляется после фильтрации фрагментов коллизий (кадры размером 64 байта обрабатываются по технологии store-and-forward, остальные — по технологии cut-through).
Маршрутизаторы работают на еще более высоком уровне модели OSI — сетевом. В их задачу входит анализ адресов, используемых в протоколе этого уровня (например, IP-адресов), и определение наилучшего маршрута доставки пакета данных по назначению (подробнее о маршрутизации будет рассказано в следующих разделах).
Обычно маршрутизатор использует адрес получателя, указанный в пакетных данных, и определяет по таблице маршрутизации путь, по которому следует передать данные. Если в таблице маршрутизации для адреса нет описанного маршрута, пакет отбрасывается.
Таблица маршрутизации содержит информацию, на основе которой маршрутизатор принимает решение о дальнейшей пересылке пакетов. Таблица состоит из некоторого числа записей — маршрутов, в каждой из которых содержится адрес сети получателя, адрес следующего узла, которому следует передавать пакеты
Таблица маршрутизации может составляться двумя способами:
статическая маршрутизация — когда записи в таблице вводятся и изменяются вручную. Такой способ требует вмешательства администратора каждый раз, когда происходят изменения в топологии сети. С другой стороны, он является наиболее стабильным и требующим минимума аппаратных ресурсов маршрутизатора для обслуживания таблицы.
динамическая маршрутизация — когда записи в таблице обновляются автоматически при помощи одного или нескольких протоколов маршрутизации — RIP, OSPF, IGRP, EIGRP, IS-IS, BGP, и др. Кроме того, маршрутизатор строит таблицу оптимальных путей к сетям назначения на основе различных критериев — количества промежуточных узлов, пропускной способности каналов, задержки передачи данных и т. п.
Мост, сетевой мост, бридж (англ. bridge) — сетевое устройство 2 уровня модели OSI, предназначенное для объединения сегментов (подсети) компьютерной сети разных топологий и архитектур.
Существенным отличием этих устройств от концентраторов является то, что они умеют определять МАС-адреса источника и приемника сигналов, а также поддерживать таблицу соответствия своих портов и используемых в сети МАС-адресов.
Такую таблицу мост (или коммутатор) формирует сразу после включения по следующему принципу — как только порт получает ответ от устройства с определенным физическим адресом, в таблице появляется строчка соответствия: «МАС-адрес <-> порт».
Таким образом, эти устройства работают не только на физическом уровне модели OSI, но и на канальном, — точнее, на подуровне управления доступом к среде (MAC).
Получив кадр и определив адрес назначения, мост или коммутатор транслируют кадр только в тот порт, с которым этот МАС-адрес сопоставлен в таблице соответствий.
Сетевой шлюз (англ. gateway) — аппаратный маршрутизатор или программное обеспечение для сопряжения компьютерных сетей, использующих разные протоколы (например, локальной и глобальной).
Сетевой шлюз конвертирует протоколы одного типа физической среды в протоколы другой физической среды (сети). Например, при соединении локального компьютера с сетью Интернет обычно используется сетевой шлюз.
Роутеры (маршрутизаторы) являются одним из примеров аппаратных сетевых шлюзов.
Сетевой шлюз может быть специальным аппаратным роутером или программным обеспечением, установленным на обычный сервер или персональный компьютер. Сетевые шлюзы работают на всех известных операционных системах. Основная задача сетевого шлюза — конвертировать протокол между сетями.
В информационных технологиях и связи, мультиплекси́рование (англ. multiplexing, muxing) — уплотнение канала, т. е. передача нескольких потоков (каналов) данных с меньшей скоростью (пропускной способностью) по одному каналу.
В телекоммуникациях мультиплексирование подразумевает передачу данных по нескольким логическим каналам связи в одном физическом канале. Под физическим каналом подразумевается реальный канал со своей пропускной способностью — медный или оптический кабель, радиоканал.
В информационных технологиях мультиплексирование подразумевает объединение нескольких потоков данных (виртуальных каналов) в один. Примером может послужить видеофайл, в котором поток (канал) видео объединяется с одним или несколькими каналами аудио.
Устройство или программа, осуществляющая мультиплексирование, называется мультиплексором.
Принцип действия мультиплексора прост: поступающие по нескольким входящим низкоскоростным линиям сигналы передаются в отведенном для каждого из них частотном диапазоне или интервале времени по высокоскоростной исходящей линии. На противоположном конце высокоскоростной линии эти сигналы вычленяются, или демультиплексируются.
В соответствии со способом уплотнения технологии мультиплексирования можно разделить на две основные категории: мультиплексирование с разделением по частоте (Frequency Division Multiplexing, FDM) и мультиплексирование с разделением по времени (Time Division Multiplexing, TDM). При частотном мультиплексировании частотный спектр делится на логические каналы, причем каждый пользователь получает этот канал в свое распоряжение на время разговора. При временном мультиплексировании пользователям периодически выделяется вся полоса, но только на краткий период времени.
Архитектура стека протоколов TCP/IP, потоки данных. IP адресация (классы адресов, виды адресов, маски). Примеры реализации протоколов. Многослойная передача данных. Принципы работы и отличия протоколов TCP и UDP.
Стек протоколов TCP/IP — набор сетевых протоколов передачи данных, используемых в сетях, включая сеть интернет. Название TCP/IP происходит из двух наиболее важных протоколов семейства — Transmission Control Protocol (TCP) и Internet Protocol (IP), которые были разработаны и описаны первыми в данном стандарте.
Набор многоуровневых протоколов, или как называют стек TCP/IP (табл. 2.1), предназначен для использования в различных вариантах сетевого окружения. Стек TCP/IP с точки зрения системной архитектуры соответствует эталонной модели OSI (Open Systems Interconnection – взаимодействие открытых систем) и позволяет обмениваться данными по сети приложениям и службам, работающим практически на любой платформе, включая Unix, Windows, Macintosh и другие.
Стек протоколов TCP/IP включает в себя четыре уровня:
прикладной уровень (application layer) – На прикладном уровне работает большинство сетевых приложений. Соответствует 2-м уровням OSI: прикладному и представительскому.
транспортный уровень (transport layer) – Протоколы транспортного уровня могут решать проблему негарантированной доставки сообщений («дошло ли сообщение до адресата?»), а также гарантировать правильную последовательность прихода данных. В стеке TCP/IP транспортные протоколы определяют, для какого именно приложения предназначены эти данные. соответствует 2-м уровням OSI: транспортному и сеансовому.
TCP (IP идентификатор 6) — «гарантированный» транспортный механизм с предварительным установлением соединения, предоставляющий приложению надёжный поток данных, дающий уверенность в безошибочности получаемых данных, перезапрашивающий данные в случае потери и устраняющий дублирование данных. TCP позволяет регулировать нагрузку на сеть, а также уменьшать время ожидания данных при передаче на большие расстояния. Более того, TCP гарантирует, что полученные данные были отправлены точно в такой же последовательности. В этом его главное отличие от UDP.
В отличие от традиционной альтернативы — UDP, который может сразу же начать передачу пакетов, TCP устанавливает соединения, которые должны быть созданы перед передачей данных. TCP соединение можно разделить на 3 стадии:
Установка соединения
Передача данных
Завершение соединения
UDP (IP идентификатор 17) протокол передачи датаграмм без установления соединения. Также его называют протоколом «ненадёжной» передачи, в смысле невозможности удостовериться в доставке сообщения адресату, а также возможного перемешивания пакетов. В приложениях, требующих гарантированной передачи данных, используется протокол TCP.
UDP обычно используется в таких приложениях, как потоковое видео и компьютерные игры, где допускается потеря пакетов, а повторный запрос затруднён или не оправдан, либо в приложениях вида запрос-ответ (например, запросы к DNS), где создание соединения занимает больше ресурсов, чем повторная отправка.
Голосовой и видеотрафик обычно передается с помощью UDP. Протоколы потокового видео в реальном времени и аудио разработаны для обработки случайных потерь пакетов так, что качество лишь незначительно уменьшается вместо больших задержек при повторной передаче потерянных пакетов.
сетевой уровень (internet layer) соответствует сетевому уровню OSI. Предназначается для определения пути передачи данных. Отвечает за трансляцию логических адресов и имён в физические, определение кратчайших маршрутов, коммутацию и маршрутизацию, отслеживание неполадок и заторов в сети. На этом уровне работает такое сетевое устройство, как маршрутизатор.
канальный уровень (link layer) соответствует 2-м уровням OSI: канальному и физическому. Канальный уровень описывает, каким образом передаются пакеты данных через физический уровень, включая кодирование (то есть специальные последовательности бит, определяющих начало и конец пакета данных). Ethernet, например, в полях заголовка пакета содержит указание того, какой машине или машинам в сети предназначен этот пакет.
Примеры протоколов канального уровня — Ethernet, IEEE 802.11 Wireless Ethernet, SLIP, Token Ring, ATM и MPLS.
Кроме того, канальный уровень описывает среду передачи данных (будь то коаксиальный кабель, витая пара, оптическое волокно или радиоканал), физические характеристики такой среды и принцип передачи данных (разделение каналов, модуляцию, амплитуду сигналов, частоту сигналов, способ синхронизации передачи, время ожидания ответа и максимальное расстояние).
Протоколы этих уровней полностью реализуют функциональные возможности модели OSI.
IP-адрес (айпи-адрес, сокращение от англ. Internet Protocol Address) — уникальный сетевой адрес узла в компьютерной сети, построенной по протоколу IP. В сети Интернет требуется глобальная уникальность адреса; в случае работы в локальной сети требуется уникальность адреса в пределах сети. В версии протокола IPv4 IP-адрес имеет длину 4 байта.
Схема адресации, определяемая классами A, B, и C, позволяет пересылать данные либо отдельному узлу, либо всем компьютерам отдельной сети (широковещательная рассылка). Однако существует сетевое программное обеспечение, которому требуется рассылать данные определенной группе узлов, необязательно входящих в одну сеть. Для того чтобы программы такого рода могли успешно функционировать, система адресации должна предусматривать так называемые групповые адреса. Для этих целей используются IP-адреса класса D.
Диапазон адресов класса E зарезервирован и в настоящее время не используется.
Класс Наименьший адрес Наибольший адрес
A 01.0.0 126.0.0.0
B 128.0.0.0 191.255.0.0
C 192.0.1.0. 223.255.255.0
D 224.0.0.0 239.255.255.255
E 240.0.0.0 247.255.255.255
В терминологии сетей TCP/IP маской сети или маской подсети (network mask) называется битовая маска (bitmask), определяющая, какая часть IP-адреса (ip address) узла (host) сети относится к адресу сети, а какая - к адресу самого узла в этой сети.
Например, узел с IP-адресом 12.34.56.78 и маской подсети 255.255.0.0 находится в сети 12.34.0.0.
Весь комплекс программно-аппаратных средств сети может быть описан многослойной моделью.
В основе любой сети лежит аппаратный слой стандартизированных компьютерных платформ. В настоящее время в сетях успешно применяются компьютеры различных классов - от персональных компьютеров до мэйнфреймов и супер-ЭВМ. Набор компьютеров в сети должен соответствовать набору решаемых сетью задач.
Второй слой - это коммуникационное оборудование. Хотя компьютеры и являются
центральными элементами обработки данных в сетях, в последнее время не менее важную роль стали играть коммуникационные устройства. Кабельные системы, повторители, мосты, коммутаторы, маршрутизаторы и модульные концентраторы.
Третьим слоем, образующим программную платформу сети, являются операционные
системы (ОС). От того, какие концепции управления локальными и распределенными ресурсами положены в основу сетевой ОС, зависит эффективность работы всей сети. При проектировании сети важно учитывать, насколько легко данная операционная система может взаимодействовать с другими ОС сети, какой она обеспечивает уровень безопасности и защищенности данных, до какой степени позволяет наращивать число пользователей, можно ли перенести ее на компьютер другого типа и многие другие соображения.
Самый верхний слой сетевых средств образуют различные сетевые приложения, такие как сетевые базы данных, почтовые системы, средства архивирования данных, системы автоматизации коллективной работы и т.д. Очень важно представлять диапазон возможностей, предоставляемых приложениями для различных областей применения, а также знать, насколько они совместимы с другими сетевыми приложениями и операционными системами.