7 Мережі та обмін даними
7.1. Класифікація та функції комп'ютерних мереж. Комутація каналів та комутація пакетів. Топології комп'ютерних мереж
Комп'ютерна мережа — система зв'язку між двома чи більше комп'ютерами. У ширшому розумінні комп'ютерна мережа — це система зв'язку через кабельне чи бездротове середовище, самі комп'ютери різного функціонального призначення і мережеве обладнання. Для передачі інформації можуть бути використані різні фізичні явища, як правило — різні види електричних сигналів чи електромагнітного випромінювання. Середовищами передавання у комп'ютерних мережах можуть бути телефонні кабелі, та спеціальні мережеві кабелі: коаксіальні кабелі, виті пари, волоконно-оптичні кабелі, радіохвилі, світлові сигнали.
Мережева модель OSI (базова еталонна модель взаємодії відкритих систем, англ. Open Systems Interconnection Basic Reference Model, 1978 р.) — абстрактна мережева модель для комунікацій і розробки мережевих протоколів.
Будь-який протокол моделі OSI повинен взаємодіяти або з протоколами свого рівня, або з протоколами на одиницю вище або нижче за свій рівень. Взаємодії з протоколами свого рівня називаються горизонтальними, а з рівнями на одиницю вище або нижче — вертикальними. Будь-який протокол моделі OSI може виконувати лише функції свого рівня і не може виконувати функцій іншого рівня, що не виконується в протоколах альтернативних моделей.
Призначення комунікаційних мереж:
Доступ до інформації — доступ до місць концентрування інформації (HTTP-, FTP-сервери, сервери баз даних).
Сигналізація (електронна пошта, сервіси коротких повідомлень),
Сумісне використання технічних ресурсів (мережні принтери, сховища даних, сервери застосунків).
Розподілення навантаження (кластеризація, розпаралелювання).
Віддалене керування (моніторинг, віддалене виконання процесів)
Забезпечення надійності (кластеризація, резервування (пристроїв та каналів))
Основні можливості комп'ютерних мереж:
Можливість швидкої передачі інформації на великі відстані;
Оперативний пошук інформації;
Обмін інформацією в режимі offline;
Обмін текстовою, звуковою та відеоінформацією у реальному часі;
Можливість збереження інформації, розміщеної на серверах Internet, на локальному комп'ютері для подальшої обробки;
Можливість інтерактивності і оперативного зворотного зв'язку.
Класифікація комунікаційних мереж. Класифікація за областю дії:
Класифікація комунікаційних мереж за областю дії враховує географічний район, охоплений мережею та, в меншому ступені, розмір мережі. Виділяються типи:
персональні мережі (Personal Area Networks - PAN)
локальні мережі (Local Area Networks — LAN)
кампусні мережі (Campus Area Network)
глобальні мережі (Wide Area Networks — WAN)
Локальні мережі звичайно займають обсяг одного чи декількох поряд розміщених будинків. Кількість пристроїв, що складають мережу, типово не перевищує декількох тисяч. Загальною практикою є розподілення великих локальних мереж на робочі групи. Малі локальні мережі (10-20 робочих місць) можуть утворювати єдину робочу групу.
Кампусні мережі типово об'єднають декілька локальних мереж і територіально охоплюють декілька міських кварталів, або навіть територію невеликого міста. Прикладами кампусних мереж є корпоративні мережі великих підприємств, операторів зв'язку, навчальних закладів. Кількість задіяних пристроїв може складати десятки тисяч пристроїв, або навіть більше. Загальною рисою локальних та кампусних мереж є наявність єдиної служби підтримки мережі, єдиного адміністративного керування та загальної технічної політики.
Глобальні мережі розміщуються на великих географічних просторах. Практично для глобальних мереж не існує обмежень на обсяг. Глобальні мережі об'єднують велику кількість локальних та кампусних мереж. Суттєвою рисою їх є відсутність єдиної адміністративної підпорядкованості. Найкращим прикладом глобальної мережі є Internet.
В доповнення теми слід зазначити спеціальні випадки, коли вказані типи мереж можуть бути скомбіновані. Наприклад, глобальна мережа може надавати середовище для створення корпоративних мереж, що об'єднують дуже віддалені вузли. Існуючі технології віртуальних мереж (про них буде пізніше) забезпечують можливість використання принципів функціонування локальних та корпоративних для комунікацій віддалених об'єктів, з'єднаних через глобальну мережу.
Класифікація за топологією. Комунікаційні мережі можуть класифікуватися також за топологією з'єднання пристроїв. Базовими є такі топології:
шинна
кільце
зірка
комбінована
При використанні шинної топології пристрої мережі з'єднані таким чином, що дані, які передаються між будь-якою парою пристроїв є доступні для всіх інших пристроїв мережі. Визначення, якому саме пристрою та звідки виконується передача, забезпечується шляхом аналізу даних, що передаються всіма пристроями мережі. Надзвичайно проста, але й найменш ефективна топологія. Прикладом мережі з шинною топологією є загально відомий стандарт Ethernet.
В мережі з топологією кільця дані передаються в одному напрямку. Деякі реалізації кільцевих мереж є дещо ефективнішими за шинні мережі (наприклад, ранні реалізації стандарту Token Ring були приблизно в 1,5 раза ефективніші за Ethernet), але взагалі це топології близького рівня. В обох типах у кожен момент часу дані можуть передаватися лише між однією парою пристроїв.
Зіркоподібні мережі мають у складі обов'язковий службовий елемент — комутатор. Комутатор не бере участі у комунікаціях безпосередньо, але забезпечує зв'язок між будь-якою парою пристроїв, які потребують комунікації. Складність та ефективність комутатора значною мірою визначає ефективність всієї мережі.
Характерною рисою розглянутих типів є можливість їх типового застосування на обмеженій території, оскільки зростання довжини комунікаційних каналів призводить до зниження їхньої ефективності та зростання ціни. Наприклад, декілька локальних мереж робочих груп, створених згідно з шинною топологією, можуть бути з'єднані за топологією зорі, а підключення до всесвітньої мережі Internet в найпоширеніших випадках виконується за стільниковою топологією.
Класифікація згідно з використаними протоколами. Для взаємодії пристроїв в будь-якій комунікаційній мережі використовуються набори правил, обов'язкові для дотримання всіма пристроями в мережі. Такі набори правил називаються протоколами. Протоколи, які регламентують порядок передачі найменших одиниць інформації між пристроями в мережі, мають назву транспортних протоколів. Прикладами транспортних протоколів є такі:
TCP/IP
NetBEUI
IPX/SPX
AppleTalk
Протокол TCP/IP на сьогодні є найпоширенішим транспортним протоколом. Це базовий протокол мережі Internet. NetBEUI — протокол, який використовується в однорангових мережах невеликих робочих груп. Це імплементація досить давно розробленого стандарту NetBIOS, впроваджена фірмою Microsoft та реалізована в сімействі операційних систем Windows. Як іншу варіацію стандарту NetBIOS можна розглядати протокол NetBIOS поверх TCP/IP, який є більш функціональним, ніж NetBEUI, але, строго кажучи, це є окремим випадком TCP/IP.
IPX/SPX — транспортний протокол, який був дуже поширений у середині 90-х років минулого сторіччя, головним чином завдяки популярності операційної системи NetWare фірми Novell. По функціональності IPX/SPX наближається до TCP/IP, зокрема він містить засоби для комунікацій в глобальних мережах. На сьогодні IPX/SPX поступово витісняється протоколом TCP/IP. Навіть останні версії операційної системи NetWare вже використовують як основний протокол TCP/IP. AppleTalk — у багатьох аспектах нагадує IPX/SPX. Розроблений для комунікацій комп'ютерів серії Macintosh фірми Apple, цей протокол використовується в мережах робочих груп, поступово звільняючи місце для використання протоколу TCP/IP.
Принципи комунікації:
Адресація. Multicast (англ. групова передача) — спеціальна форма широкомовлення, при якій копії пакетів прямують певній підмножині адресатів.
Комутація — процес з'єднання абонентів комунікаційної мережі через транзитні вузли. Комунікаційні мережі повинні забезпечувати зв'язок своїх абонентів між собою. Як правило, в мережах загального доступу неможливо надати кожній парі абонентів власну фізичну лінію зв'язку, яким вони могли б монопольно «володіти» і використовувати у будь-який час. Тому в мережі завжди застосовується який-небудь спосіб комутації абонентів, який забезпечує розділення наявних фізичних каналів між декількома сеансами зв'язку і між абонентами мережі.
Маршрутизація (англ. Routing) — процес визначення маршруту доставки інформації в мережах зв'язку. Маршрути можуть задаватися адміністративно (статичні маршрути), або обчислюватися за допомогою алгоритмів маршрутизації, базуючись на інформації про топологію і стан мережі, отриманої за допомогою протоколів маршрутизації (динамічні маршрути). Маршрутизація в комп'ютерних мережах виконується спеціальними програмно-апаратними засобами — маршрутизаторами; у простих конфігураціях може виконуватися і комп'ютерами загального призначення, відповідно налагодженими.
Моніторинг мережі — робота системи, яка виконує постійне спостереження за комп'ютерною мережею у пошуках повільних або несправних систем і яка при виявленні збоїв повідомляє про них мережевого адміністратора за допомогою пошти, пейджера або інших засобів сповіщення. Наприклад, для того, щоб визначити стан вебсервера, програма, що виконує моніторинг, може періодично відправляти запит HTTP на здобуття сторінки; для поштових серверів можна відправити тестове повідомлення по SMTP і отримати по IMAP або Pop3.
Локальна мережа об’єднує комп’ютери, що розташовані на невеликій відстані один від одного, і є замкнутою системою. Невеликі відстані між комп’ютерами дають можливість використовувати для зв’язку в локальних мережах звичайні дротові лінії. Окремим випадком локальної мережі є корпоративна мережа. Як правило, локальна мережа обмежена офісом, кабінетом інформатики, однією будівлею. Локальні мережі повинні бути легко адаптованими, тобто мати гнучку архітектуру, яка дозволяє довільно розташовувати робочі місця, додавати або переставляти персональні комп’ютери або периферійні пристрої. Якщо така мережа організована грамотно, то вихід з ладу однієї із складових не впливає на роботу інших.
Локальна мережа створюється для спільного використання та обміну інформацією між комп’ютерами, спільного використання ресурсів мережі. Ресурс мережі – це пристрої, що входять до апаратної частини деяких із комп’ютерів мережі, доступні і можуть використовуватися будь-яким користувачем мережі. Ресурсами мережі можуть бути принтери, сканери, модеми, стримери, фотонабірні апарати, дискові накопичувачі великої ємності, пристрої резервного копіювання інформації, тощо.
Комп’ютер, ресурси якого призначені для спільного використання, називається сервером (від англ. to serve – постачати, обслуговувати). Комп’ютери, що використовують ресурси мережі, називають робочими станціями. Сучасні локальні мережі дуже різноманітні і можуть мати у своєму складі один або кілька серверів, комп’ютери, які одночасно можуть бути як сервером, так і робочою станцією.
Найзагальніший тип серверу – файловий, основний ресурс файлового серверу – файли. Будь-який комп’ютер з одним або кількома жорсткими дисками можна використати як файловий сервер (Pentium, 32-64 Мб RAM).
Взаємодія серверів і робочих станцій забезпечується мережевим програмним забезпеченням кожного комп’ютера мережі. Користувачу робочої станції доступні ресурси мережі відповідно до заздалегідь обумовлених правил.
Призначення робочої станції – виконувати програми, одержані з мережі, а призначення сервера – доставляти ці програми до робочих станцій. Схему роботи, коли робочі станції виконують велику частину опрацювання даних, а файл-сервер надає файли для цього опрацювання, називають розподіленим опрацюванням. Схему опрацювання, за якою робота розподіляється між робочою станцією і файлом-сервером рівномірно, називається системою «клієнт-сервер». Як правило, таке середовище складається із сервера баз даних (БД) (високошвидкісний процесор, що опрацьовує запити до БД) в поєднанні з робочими станціями. Крім того, мережі розрізняються за іншими ознаками, наприклад: швидкістю передавання; типом кабелю, що використовується; фізичним розташуванням кабелю; форматом пакетів (кадрів) тощо.
Глобальна мережа – це з’єднання локальних мереж і окремих комп’ютерів, розташованих далеко один від одного. У таких мережах є додаткові пристрої для опрацювання великих обсягів даних та пересилання їх на велику відстань. Передусім, це сервери глобальних мереж, які є дуже потужними комп’ютерами. Через великі відстані між комп’ютерами використання звичайних дротових ліній зв’язку в глобальних мережах неможливе. Сучасні глобальні мережі використовують телефонний та супутниковий зв’язок. Проте зв’язок між серверами глобальної мережі здійснюється не через звичайні телефонні лінії, а через виділені лінії або через спеціальні канали зв’язку.
Виділена телефонна лінія використовується лише для передавання інформації між комп’ютерами в мережі. Вона має високу швидкість передавання та перешкодостійкість. Канали зв’язку мають ті самі властивості, однак з вищими якісними характеристиками.
Найбільшою у світі глобальною мережею є мережа Internet. Вона охоплює всю земну кулю.
Глобальна мережа Internet та її можливості
Інтернет – це всесвітня комп’ютерна мережа, яка об’єднує в єдине ціле десятки тисяч різнотипних локальних і глобальних мереж. Internet об’єднує мільйони комп’ютерів, нею користуються десятки мільйонів людей.
За територіальною ознакою комп’ютерні мережі поділяють на глобальні, регіональні і локальні.
Глобальні мережі об’єднують абонентів, які розподілені по всьому світові. У таких мережах зазвичай використовуються супутникові канали зв’язку, що дає змогу з’єднувати вузли мережі та ЕОМ на відстані 1015 тис. км. один від одного.
Регіональні мережі об’єднують абонентів міст, області, невеликих країн. Каналами зв’язку найчастіше є телефонні лінії, а відстань між вузлами мережі становить 101000 км.
Локальні мережі об’єднують абонентів однієї або декількох будівель підприємства, установи. Ці мережі найбільш поширені, оскільки вважається, що до 90 відсотків інформації циркулює поблизу джерела її появи. Особливістю локальних мереж є єдиний високошвидкісний канал передачі даних: вита пара, коаксіальний кабель, оптичний кабель тощо. Відстані між ЕОМ у локальній мережі становлять до 20 км, а канали зв’язку є власністю організації, що їх експлуатує.
На сьогоднішній день існує багато способів класифікації КМ. В основу таких класифікацій покладено різні критерії. Розглянемо одну з таких класифікацій [1, 4, 17].
За способом організації мережі підрозділяються на реальні та штучні. Штучні мережі (псевдомережі) дозволяють зв’язувати комп’ютери разом через послідовні або паралельні порти та не мають потреби в додаткових пристроях. Іноді зв’язок у такій мережі називають зв’язком за нуль-модемом (модем не використовується). Штучні мережі використовуються коли необхідно надіслати інформацію з одного комп’ютера на іншій. Основний їх недолік низька швидкість передачі даних і можливість з’єднання лише двох комп’ютерів.
Реальні мережі дозволяють зв’язувати комп’ютери за допомогою спеціальних пристроїв комутації та фізичного середовища передачі даних. Основний їх недолік необхідність у додаткових пристроях.
Надалі вживаючи термін КМ будемо мати на увазі реальні мережі. Все різноманіття КМ можна класифікувати за такими групами ознак:
територіальна поширеність;
відомча приналежність;
швидкість передачі інформації;
тип середовища передачі;
топологія;
організація взаємодії комп’ютерів.
За територіальною поширеністю мережі можуть бути локальними, глобальними, і регіональними. У класифікації мереж існує два основних терміни: LAN і WAN.
Локальні LAN (Local Area Network) це мережі, що покривають невеликі території не більшу ніж 1000-2000 м2. В загальному випадку ЛКМ є комунікаційною системою, що належить одній організації. Внаслідок коротких відстаней в ЛКМ є можливість використання відносно дорогих високоякісних ліній зв’язку, які дозволяють, застосовуючи прості методи передачі даних, досягати високих швидкостей обміну даними (до 100Мбіт/c і вище). У зв’язку з цим послуги, що надаються локальними мережами, відрізняються широкою різноманітністю і зазвичай передбачають реалізацію в режимі on-line.
Глобальні WAN (Wide Area Network) – розташовані на території держави або групи держав. ГКМ покриває великі географічні регіони, що містять як ЛКМ, так і інші телекомунікаційні мережі та пристрої. Приклад WAN – мережа з комутацією пакетів (Frame relay), через яку можуть „розмовляти” між собою різні комп’ютерні мережі.
Регіональні (міські) MAN (Metropolitan Area Network) розташовані на території міста або області і призначені для їх обслуговування. ЛКМ найкраще підходять для розділення ресурсів на малих відстанях, а ГКМ забезпечують роботу на великих відстанях, але з обмеженою швидкістю і невеликим набором послуг, міські комп’ютерні мережі (МКМ) займають проміжне місце. Вони використовують цифрові магістральні лінії зв’язку (часто оптоволоконні), зі швидкостями від 45 Мбіт/с, і призначені для зв’язку ЛКМ в масштабах міста та з’єднання локальних мереж з глобальними. Спочатку МКМ були розроблені для передачі даних, але зараз вони підтримують і такі послуги, як відеоконференції та інтегральну передачу голосу і тексту. Розвиток технології МКМ здійснювався місцевими телефонними компаніями і щоб зайняти гідне місце у світі КМ, місцеві підприємства зв’язку зайнялися розробкою мереж на основі найсучасніших технологій, наприклад технології комутації комірок SMDS або ATM.
Термін „корпоративна мережа” також використається в літературі для позначення об’єднання кількох мереж, кожна з яких може бути побудована на різних технічних, програмних та інформаційних принципах.
ЛКМ є мережами закритого типу. Доступ до них дозволений тільки обмеженому колу користувачів, для яких робота в такій мережі безпосередньо пов’язана з їх професійною діяльністю. ГКМ є відкритими й орієнтованими на обслуговування будь-яких користувачів.
За приналежністю розрізняють відомчі та державні мережі. Відомчі належать одній організації та розташовуються на її території. Державні мережі використовуються у державних структурах.
За швидкістю передачі інформації КМ діляться на:
низкошвидкісні (до 10 Мбіт/с);
середньошвидкісні (до 100 Мбіт/с);
високошвидкісні (понад 100 Мбіт/с).
Для визначення швидкості передачі даних у мережі широко використається бод.
Бод одиниця швидкості передачі сигналу, вимірюється числом дискретних переходів або подій за секунду. Якщо кожна подія є одним бітом, бод еквівалентний біт/сек (bits per second, bps). В реальних комунікаціях це часто не виконується (на відміну від бодів бітами за секунду вимірюється ефективний об’єм інформації без врахування службових бітів (стартові біти, стопові, біти парності), які використовуються у випадку асинхронної передачі). Тому термин „бод” часто неправильно використовують у значенні „біт/сек.” В дійсності, швидкість зміни сигналу залежить від типу модуляції. Наприклад, у модемах використовується квадратурна модуляція, і однією зміною рівня сигналу може кодуватися кілька (до 16) біт інформації. Наприклад, при швидкості зміни сигналу 2400 бод, швидкість передачі може дорівнювати 9600 біт/c, завдяки тому, що в кожному часовому інтервалі надсилається 4 біти.
За типом середовища передачі мережі розділяються на:
провідні коаксіальні, на скручений парі, оптоволоконні;
безпровідні з передачею інформації з радіоканалів, в інфрачервоному діапазоні.
За топологією КМ поділяють на повнозв’язні та неповнозв’язні. Останні, в свою чергу можуть бути коміркові, типу „загальна шина”, „зірка” „кільце”, а також змішаного типу. Оскільки топології КМ є окремою, досить важливою темою детальніше це питання розглядається у розділі 2.1 даного посібника.
За організацією взаємодії комп’ютерів, мережі ділять на однорангові (Peer-to-Peer Network) і з виділеним сервером (Dedicated Server Network).
Всі комп’ютери однорангової мережі рівноправні. Будь-який користувач мережі може одержати доступ до даних, що зберігається на будь-якому іншому комп’ютері. Однорангові мережі можуть бути організовані за допомогою таких ОС, як LANtastic, Windows 3.11, Novell Netware Lite. Зазначені програми працюють як з DOS, так і з Windows. Однорангові мережі можуть бути організовані також на базі всіх сучасних 32-розрядних OC Windows 9x\ME\2k, Windows NT workstation, OS/2) тощо.
Переваги однорангових мереж:
найпростіші в установці та експлуатації;
ОС DOS і Windows мають всі необхідні функції, що дозволяють будувати однорангову мережу.
До недоліку можна віднести ускладнення питань захисту інформації. Отже, даний спосіб організації мережі використається для мереж з невеликою кількістю (зазвичай до 10) комп’ютерів і там, де питання захисту даних не є принциповим.
В ієрархічній мережі при встановленні мережі заздалегідь виділяються один або кілька комп’ютерів (серверів), які керують обміном даних по мережі та розподілом ресурсів. Будь-який комп’ютер, що має доступ до послуг сервера називають клієнтом мережі або робочою станцією. Сам сервер може бути клієнтом тільки сервера більш високого рівня ієрархії. Тому ієрархічні мережі іноді називаються мережами з виділеними серверами.
До недоліків ієрархічної мережі, у порівнянні з одноранговими мережами, відносять:
необхідність додаткової ОС для сервера;
більше висока складність установки й модернізації мережі;
необхідність виділення окремого комп’ютера як сервер.
Розрізняють дві технології використання сервера: технологію файл-сервера та архітектуру клієнт-сервер.
У першій моделі використовується файловий сервер, на якому зберігається більшість програм і даних. На вимогу користувача йому надсилається необхідна програма та дані. Обробка інформації виконується на робочій станції.
В системах з архітектурою клієнт-сервер обмін даними здійснюється між додатком-клієнтом (front-end) і додатком-сервером (back-end). Зберігання даних і їх обробка здійснюється на потужному сервері, що виконує також контроль за доступом до ресурсів і даних. Робоча станція одержує тільки результати запиту. Розробники додатків з обробки інформації зазвичай використовують цю технологію.
Комутація — процес з'єднання абонентів комунікаційної мережі через транзитні вузли.
Комунікаційні мережі повинні забезпечувати зв'язок своїх абонентів між собою. Абонентами можуть бути ЕОМ, сегменти локальних мереж, факс-апарати або телефонні співбесідники. Як правило, в мережах загального доступу неможливо надати кожній парі абонентів власну фізичну лінію зв'язку, якою вони могли б монопольно «володіти» і використовувати в будь-який час. Тому в мережі завжди використовується певний спосіб комутації абонентів, який забезпечує розподіл наявних фізичних каналів між декількома сеансами зв'язку і між абонентами мережі.
Кожен абонент з'єднаний з комутаторами індивідуальною лінією зв'язку, закріпленою за цим абонентом. Лінії зв'язку налагоджені між комутаторами розділяються декількома абонентами, тобто використовуються спільно.
Існує чотири принципово різні схеми комутації абонентів в мережах:
Комутація каналів — організація складного каналу через декілька транзитних вузлів з декількох послідовно «з'єднаних» каналів на час передачі повідомлення в межах одного сеансу (тимчасова комутація) або на триваліший термін (постійна/довготривала комутація) у випадку постійного використання протягом часу заданого адміністратором.
Комутація повідомлень — розбиття інформації на повідомлення, які передаються послідовно до найближчого транзитного вузла, який при отриманні повідомлення аналізує його заголовок і передає далі таким же способом. Приклад: комутація TCP-пакетів.
Комутація пакетів — розбиття повідомлення на пакети, які передаються індивідуально. При цьому, якщо маршрут руху пакетів між вузлами попередньо визначений, то мова йде про віртуальний канал (з встановленим з'єднанням). Приклад: комутація IP-пакетів. Якщо ж для кожного пакета задача знаходження шляху вирішується заново, мова йде про способи пакетної комутації без встановлення з'єднання.
Комутація комірок — схожа з комутацією пакетів, але при комутації комірок пакети завжди мають фіксований розмір.
Мережа з комутацією каналів — вид телекомунікаційної мережі, у якій між двома вузлами мережі повинне бути встановлене з'єднання (канал), перш ніж вони почнуть будь-який обмін інформацією. Це з'єднання протягом усього сеансу обміну інформацією може використовуватися тільки вказаними двома вузлами. Після завершення обміну з'єднання має бути відповідним чином розірване.
У мережах з комутацією каналів можуть встановлюватися як комутовані, так і виділені з'єднання. Комутоване з'єднання — це тимчасове з'єднання, встановлене тільки на період одного сеансу зв'язку. Однак комутоване з'єднання може бути «вічним» — набравши номер віддаленого сервера і встановивши з ним з'єднання, можна не закінчувати сеанс зв'язку як завгодно довго. Комутоване з'єднання дозволяє також у будь-який момент перервати сеанс зв'язку і встановити з'єднання з іншим абонентом. Наприклад, можна перервати з'єднання з одним провайдером Internet і встановити з іншим.
Принцип роботи. Мережі з динамічною комутацією вимагають попередньої процедури встановлення з'єднання між абонентами. Для цього в мережу передається адреса абонента (який викликається), що проходить через комутатори і налагоджує їх на наступну передачу даних. Запит на встановлення з'єднання маршрутизується від одного комутатора до іншого і зрештою досягає абонента (який викликається). Мережа може відмовити у встановленні з'єднання, якщо ємність необхідного вихідного каналу вже вичерпана. Для FDM-комутатора ємність вихідного каналу дорівнює кількості частотних смуг цього каналу, а для TDM-комутатора кількості тайм-слотів, на які поділяється цикл роботи каналу. Мережа відмовляє в з'єднанні також у тому випадку, якщо запитуваний абонент вже встановив з'єднання з кимсь іншим. У першому випадку говорять, що зайнято комутатор, другому — абонент.
Якщо з'єднання може бути встановлено, то йому виділяється фіксована смуга частот у FDM-мережах або ж фіксована пропускна здатність у TDM-мережах. Ці величини залишаються незмінними протягом всього періоду з'єднання. Гарантована пропускна здатність мережі після встановлення з'єднання є важливою властивістю, необхідним для таких додатків, як передача голосу, зображення чи керування об'єктами в реальному часі. Однак динамічно змінювати пропускну здатність каналу за вимогою абонента мережі з комутацією каналів неможливо, що робить їх неефективними в умовах пульсуючого трафіку.
Пояснимо принцип роботи комутованої телефонної мережі або мережі з комутацією. Ви додзвонюєтеся кому-небудь по телефону, між вами встановлюється якийсь фізичний канал зв'язку, складений з окремих ділянок, які з'єднуються комутаторами.
Лінія зв'язку одного абонента показана суцільною лінією, а іншого — пунктирною. Ділянки від кожного абонента до першого комутатора є неподільні. Тобто кожен використовує ці ділянки одноосібно. Решта ділянок мережі між комутаторами є поділюваними, тобто можуть бути в різний час зайняті різними користувачами. Але якщо ділянка зайнята одним користувачем, то інший в цей час вже не може її використовувати.
Коротко розглянемо такі технології комутації каналів:
Мережа PSTN (Public Switched Telephone Network) — комутована телефонна мережа загального користування є традиційною аналоговою телефонною мережею. Для установки зв'язків в глобальних мережах вона використовується досить часто. Переваги використання PSTN:
лінії PSTN є практично скрізь;
цей зв'язок недорогий.
ISDN (англ. Integrated Services Digital Network) — цифрова мережа з інтегрованими службами (послугами) — це загальнодоступна телефонна мережа, що використовує цифрову технологію передавання сигналу, і що включає великий набір цифрових послуг, які стають доступними для кінцевих користувачів. ISDN припускає оцифровку телефонної мережі для того, щоб голос, інформація, текст, графічні зображення, музика, відеосигнали і інші матеріальні джерела могли бути передані кінцевому користувачеві по наявних телефонних проводах і отримані ним з одного терміналу кінцевого користувача.
Digital subscriber line (DSL, на початку — digital subscriber loop) — сімейство технологій, що дають змогу значно розширити пропускну здатність абонентської лінії місцевої телефонної мережі шляхом використання ефективних лінійних кодів і адаптивних методів корекції викривлень лінії на базі сучасних досягнень мікроелектроніки і методів цифрової обробки сигналу.
Технології DSL дають змогу передавати дані зі швидкістю, що значно перевищує ту швидкість, що доступна навіть найкращим аналоговим та цифровим модемам. Ці технології підтримують передавання голосу, високошвидкісне передавання даних і відеосигналів, створюючи при цьому значні переваги як для абонентів, так і для провайдерів. Типи технології DSL розрізняються за методом модуляції, що використовується для кодування даних, та швидкістю передавання даних. Технології xDSL з'явилися в середині 90-х років як альтернатива ISDN.
Типовим прикладом є ранні телефонні мережі. Абонент мав попросити оператора з'єднати його з іншим абонентом, під'єднаним до того ж комутатора або іншого комутатора через лінію зв'язку (і іншого оператора). В будь-якому разі кінцевим результатом було фізичне електричне з'єднання між телефонними апаратами абонентів протягом усієї розмови. Провідник, задіяний для з'єднання, не міг бути використаний для передачі інших розмов у цей час, навіть якщо абоненти насправді не розмовляли і в лінії була тиша.Пізніше стало можливим ущільнення однієї фізичної лінії для утворення в ній декількох каналів. Попри це, один канал ущільненої лінії так само міг використовуватися лише однією парою абонентів.
Переваги комутації каналів:
Висока стабільність параметрів каналу у часі.
Відсутність необхідності у передачі службової інформації після встановлення з'єднання.
Комутація каналів може використовуватися як у аналогових, так і у цифрових мережах зв'язку, на відміну від комутації пакетів, яка можлива тільки у цифрових мережах.
Недоліки:
Комутація каналів вважається недостатньо ефективним способом комутації, тому що канальна ємність частково витрачається на підтримання з'єднань, що встановлені, але (в цей час) не використовуються.
Неможливість застосування апаратури користувачів, яка працює з різною швидкістю.
Можливість відмови в з'єднанні.
Комутація каналів принципово відрізняється від комутації пакетів, при якій дані, що передаються (наприклад, оцифрований звук або дані з комп'ютерної мережі) розділяються на окремі пакети, які окремо передаються через мережу загального користування.
Комутація пакетів — принцип комутації, при якому інформація розділяється на окремі пакети, які передаються в мережі незалежно один від одного. В таких мережах, по одній фізичній лінії зв'язку, можуть обмінюватися даними багато вузлів.
Переваги — ефективність використання пропускної здатності та менші затрати.
Недоліки — зайнятість лінії зв'язку та зменшення її пропускної здатності.
При комутації пакетів всі передані користувачем дані розбиваються передавальним вузлом на невеликі (до декількох кілобайт) частини — пакети (packet). Кожний пакет оснащується заголовком, у якому вказується, як мінімум, адреса вузла-одержувача й номер пакета. Передача пакетів по мережі відбувається незалежно один від одного. Комутатори такої мережі мають внутрішню буферну пам'ять для тимчасового зберігання пакетів, що дозволяє згладжувати пульсації трафіка на лініях зв'язку між комутаторами. Пакети іноді називають дейтаграмами (англ. datagram), а режим індивідуальної комутації пакетів — дейтаграмним режимом.
Мережа з комутацією пакетів — вид телекомунікаційної мережі, у якій застосовується комутація пакетів. Яскравим (але не єдиним) прикладом такої мережі є Інтернет.
Мережа з комутацією пакетів сповільнює процес взаємодії кожної конкретної пари вузлів, оскільки їхні пакети можуть очікувати в комутаторах, поки передадуться інші пакети. Однак загальна ефективність (обсяг переданих даних в одиницю часу) при комутації пакетів буде вище, ніж при комутації каналів. Це пов'язане з тим, що трафік кожного окремого абонента носить пульсуючий характер, а пульсації різних абонентів, відповідно до закону великих чисел, розподіляються в часі, збільшуючи рівномірність навантаження на мережу. Даний метод комутації є найпоширенішим на сьогодні.
Топологія мереж характеризує логічну організацію вузлів (англ. nodes) різноманітних мереж (комп'ютерних, соціальних, біологічних тощо). Під топологією (компонуванням, конфігурацією, структурою) комп'ютерної мережі звичайно розуміється логічне взаєморозташування комп'ютерів мережі один щодо іншого та спосіб їх з'єднання лініями зв'язку. Важливо відзначити, що поняття топології застосовується, насамперед, до локальних мереж, у яких структуру зв'язків можна легко простежити. У глобальних мережах структура зв'язків звичайно схована від користувачів і не надто важлива, тому що кожний сеанс зв'язку може виконуватися по своєму власному шляху.
Топологія комп'ютерної мережі відображає структуру зв'язків між її основними функціональними елементами. В залежності від компонентів, що розглядаються, розрізняють фізичну і логічну структури локальних мереж. Фізична структура визначає топологію фізичних з'єднань між комп'ютерами. Логічна структура визначає логічну організацію взаємодії комп'ютерів між собою. Доповнюючи одна одну, фізична та логічна структури дають найповніше уявлення про комп'ютерну мережу.
Топологія мережі спричиняється її характеристиками. Зокрема, вибір тієї або іншої топології впливає на:
склад необхідного мережного устаткування;
характеристики мережного устаткування;
можливості розширення мережі;
спосіб керування мережею.
Щоби спільно використовувати ресурси або виконувати інші мережні завдання, комп'ютери повинні бути підключені один до одного. Для цієї мети в більшості випадків використовується кабель (рідше — бездротові мережі, як то інфрачервоне устаткування Input/Output). Однак, просто підключити комп'ютер до кабелю, що з'єднує інші комп'ютери, недостатньо. Різні типи кабелів у сполученні з різними мережевими платами, мережними операційними системами й іншими компонентами вимагають і різного взаєморозташування комп'ютерів.
Кожна топологія мережі накладає ряд умов. Наприклад, вона може диктувати не тільки тип кабелю але й спосіб його прокладки.
Існує безліч способів з'єднання мережевих пристроїв. Виділяють 3 базових топології:
шина (bus)
зірка (star)
кільце (ring)
І додаткові (похідні):
подвійне кільце
сотова топологія
решітка
дерево
Fat Tree
сніжинка
повнозв'язна.
Додаткові способи є комбінаціями базових. У загальному випадку такі топології називаються змішаними або гібридними, але деякі з них мають власні назви, наприклад «Дерево».
Багатозначність поняття топології. Топологія мережі визначає не тільки фізичне розташування комп'ютерів, але, що набагато важливіше, характер зв'язків між ними, особливості поширення сигналів мережею. Саме характер зв'язків визначає ступінь відмовостійкості мережі, необхідну складність мережної апаратури, найбільш придатний метод керування обміном, можливі типи середовищ передачі (каналів зв'язку), допустимий розмір мережі (довжина ліній зв'язку й кількість абонентів), необхідність електричного узгодження й багато чого іншого.
Коли в літературі згадують про топологію мережі, то можуть мати на увазі чотири зовсім різних поняття, що стосуються різних рівнів мережної архітектури:
1. Фізична топологія, тобто схема розташування комп'ютерів і прокладки кабелів. У цьому значенні, наприклад, пасивна зірка нічим не відрізняється від активної зірки, тому її нерідко називають просто «зіркою».
2. Логічна топологія, тобто структура зв'язків, характер поширення сигналів мережею.
3. Топологія керування обміном, тобто принцип і послідовність передачі права на захват мережі між окремими комп'ютерами.
4. Інформаційна топологія, тобто напрямок потоків інформації, що передається мережею.
Найпоширеніші прості топології:
Топологія шини. В цьому випадку комп'ютери з'єднуються один з одним коаксіальним кабелем за схемою «монтажного АБО» (рис. 1b). Інформація, що передається від одного комп'ютера мережі іншому, розповсюджується, як правило, в обидві сторони. Основними перевагами такої схеми є дешевизна й простота розводки кабелю приміщеннями, можливість майже миттєвого широкомовного звертання до всіх станцій мережі. Головний недолік спільної шини полягає в її низькій надійності: будь-який дефект кабелю чи якого-небудь із численних роз'ємів повністю паралізує всю мережу. Іншим недоліком спільної шини є її невисока продуктивність, так як при такому способі з'єднання в кожний момент часу тільки один комп'ютер може передавати дані в мережу. Тому пропускна здатність каналу зв'язку завжди поділяється тут між усіма станціями мережі.
Кільцева топологія. В мережах із кільцевою конфігурацією дані передаються по кільцю від одного комп'ютера до іншого, як правило, в одному напрямку (рис. 1d). Це мережева топологія, в якій кожна станція має точно два зв'язки з іншими станціями. Якщо комп'ютер розпізнає дані як «свої», то він копіює їх у свій внутрішній буфер. Оскільки у випадку виходу з ладу мережевого адаптера будь-якої станції переривається канал зв'язку між іншими станціями мережі, даний вид топології використовується як логічна топологія.
Топологія дерева. Ця мережева топологія з чисто топологічної точки зору схожа на зіркову, в якій окремі периферійні мережеві пристрої можуть передавати до або приймати від тільки одного іншого мережевого пристрою в напрямку до центрального мережевого пристрою (рис. 1е). Як і в класичній зірковій топології, окремі мережеві пристрої можуть бути ізольовані від мережі внаслідок ліквідації одного зв'язку (гілки), наприклад, внаслідок аварії на лінії. У мережі з топологією дерева існує один виділений мережевий пристрій, який є коренем дерева.
Топологія сітки. Цей вид топології дістають із топології повного з'єднання шляхом видалення деяких можливих зв'язків (рис. 1f). Це мережева топологія, в якій існують щонайменше два комп'ютери з двома або більше шляхами між ними
Змішана (гібридна) топологія. Це поєднання двох або більшої кількості мережевих топологій . Можна навести приклади, коли дві об'єднані основні мережеві топології не змінюють характеру топології мережі і тому не створюють гібридної мережі. Наприклад, сполучення мереж із топологією дерева дає мережу з такою ж топологією. Тому гібридна топологія мережі виникає тільки тоді, коли сполучені дві мережі з основними топологіями дають у результаті мережу, топологія якої не відповідає жодному з означень основних топологій. Наприклад, дві мережі із зірковою топологією при об'єднанні утворюють мережу з гібридною топологією. Гібридна топологія мережі виникає також при сполученні мереж із різними видами топологій.
Топологія подвійного кільця. Мережами з такою конфігурацією є мережі FDDI. Вони відрізняються вбудованою надлишковістю, яка забезпечує захист від системних відмов: основне кільце служить для передавання даних, а допоміжне кільце — для передавання управляючих сигналів. Існує можливість передавання даних по обох кільцях у протилежних напрямках у випадку відсутності обривів кабелю. Якщо ж трапляється обрив кабелю або одна зі станцій виходить із ладу основне кільце об'єднується з допоміжним, знову утворюючи єдине кільце. Цей режим роботи мережі називається завертанням кілець.
Лінійна (ланцюгова) топологія. Це топологія, у якій кожний комп'ютер з'єднаний із попереднім та наступним відносно себе. Виникає з кільцевої при видаленні однієї гілки. Часом трактується як ідентично до шини.
Повнозв'язна топологія містить n*(n-1)/2 каналів зв'язку, де n — кількість вузлів. Мережі з повнозв'язною топологією відрізняються високою надійністю, оперативністю і можливістю прихованої передачі. Однак їх створення потребує великих вкладень. Ця топологія властива системам зв'язку на геостаціонарних орбітах.