Вычислительные машины, сети и системы модели и методы описания вычислительных систем. Учебное пособие
.pdfгут находиться в разных географических пунктах. В данном случае «подсеть» – это, по сути, независимый сетевой кабель (иногда называемый сегментом).
Так как две конечные системы, желающие организовать связь, может разделять значительное географическое расстояние и множество подсетей, сетевой уровень является доменом маршрутизации. Протоколы маршрутизациивыбираютоптимальныемаршрутычерезпоследовательностьсоединенныхмеждусобойподсетей.Традиционныепротоколысетевогоуровняпередаютинформациювдольэтихмаршрутов.
Канальный уровень
Канальный уровень (формально называемый информационно-ка- нальным уровнем, или уровнем звена передачи данных) обеспечивает надежный транзит данных через физический канал. Выполняя эту задачу, канальный уровень решает вопросы физической адресации (в противоположность сетевой или логической адресации), топологии сети, линейной дисциплины (каким образом конечной системе использовать сетевой канал), уведомления о неисправностях, упорядоченной доставки блоков данных и управления потоком информации.
Физический уровень
Физический уровень определяет электротехнические, механические, процедурные и функциональные характеристики активации, поддержания и дезактивации физического канала между конечными системами. Спецификации физического уровня определяют такие характеристики, как уровни напряжений, синхронизацию изменения напряжений, скорость передачи физической информации, максимальные расстояния передачи информации, физические соединители и другие аналогичные характеристики.
1.3. Основные термины и концепции вычислительных сетей
Наука об объединении сетей (в том числе и вычислительных), как и другиенауки,имеетсвоюсобственнуютерминологиюинаучнуюбазу.
Адресация
Существенным компонентом любой вычислительной системы, в частности вычислительной сети, является определение местонахождения компьютерных систем. Существуют различные схемы адресации, используемые для этой цели, которые зависят от используемого семейства протоколов. Другими словами, адресация AppleTalk отли-
11
чается от адресации TCP/IP, которая в свою очередь отличается от адресации OSI, и т.д.
Двумя важными типами адресов являются адреса канального уровня и адреса сетевого уровня. Адреса канального уровня (называемые также физическими, или аппаратными адресами), как правило, уникальны для каждого сетевого соединения. У большинства локальных сетей (LAN) адреса канального уровня размещены в схеме интерфейса; они назначаются той организацией, которая определяет стандарт протокола, представленный этим интерфейсом. Так как большинство компьютерных систем имеют одно физическое сетевое соединение, они имеют только один адрес канального уровня. Роутеры и другие системы, соединенные с множеством физических сетей, могут иметь множество адресов канального уровня. В соответствии с названием, адреса канального уровня существуютнаУровне2эталонноймоделиISO.
Aдреса сетевого уровня (называемые также виртуальными или логическими адресами) существуют на Уровне 3 эталонной модели OSI. В отличие от адресов канального уровня, которые обычно существуют в пределах плоского адресного пространства, адреса сетевого уровня обычно иерархические. Другими словами, они похожи на почтовые адреса, которые описывают местонахождение человека, указывая страну, штат, почтовый индекс, город, улицу, адрес на этой улице и, наконец, имя. Хорошим примером одноуровневой адресации является номерная система социальной безопасности США, в соответствии с которой каждый человек имеет один уникальный номер, присвоенный ему службой безопасности.
Иерархические адреса делают сортировку адресов и повторный вызов более легкими путем исключения крупных блоков логически схожих адресов в процессе последовательности операций сравнения. Например, можно исключить все другие страны, если в адресе указана страна Мьянма. Легкость сортировки и повторного вызова являются причиной того, что роутеры используют адреса сетевого уровня в качестве базиса маршрутизации.
Адреса сетевого уровня различаются в зависимости от используемого семейства протоколов, однако они, как правило, используют соответствующие логические разделы для нахождения компьютерных систем в объединенной сети. Некоторые из этих логических разделов базируются на физических характеристиках сети (таких, как сегмент сети, в котором находится какая-нибудь система); другие логические разделы базируются на группировках, не имеющих физического бази-
са (например, «зона»AppleTalk).
12
Блоки данных, пакеты и сообщения
После того, как по адресам установили местоположение компьютерных систем, может быть произведен обмен информацией между двумя или более системами. В этом процессе можно выделить следующих участников: «блок данных» (frame) обозначает блок информации, источником и пунктом назначения которого являются объекты канального уровня; «пакет» (packet) обозначает блок информации, у которого источник и пункт назначения – объекты сетевого уровня; «сообщение» (message) oбoзначает информационный блок, у которого объекты источника и места назначения находятся выше сетевого уровня. Термин «сообщение» используется также для обозначения отдельных информационных блоков низших уровней, которые имеют специальное, хорошо сформулированное назначение.
Основные организации, занимающиеся стандартизацией объединенных сетей
В целях упорядочивания информационного обмена в вычислительных сетях и системах были созданы международные организации, занимающиеся разработкой и внедрением стандартов в области инфокоммуникационных технологий:
–Международная организация по стандартизации (ISO);
–Американский национальный институт стандартизации (ANSI, NIST);
–Ассоциация электронной промышленности (EIA);
–Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE);
–Международный консультативный комитет по телеграфии и те-
лефонии (CCITT);
–Совет по регуляции работы Internet (IAB).
Основными своими задачами Международная организация по стандартизациисчитаетсодействиеразвитиюстандартизацииисмежныхвидов деятельности в мире в целях обеспечения международного обмена товарами и услугами, а также развития сотрудничества в интеллектуаль- ной,научно-техническойиэкономическойобластях.
Основная задача NIST – содействие решению проблем, имеющих общегосударственное значение (экономия энергоресурсов, защита окружающей среды, обеспечение безопасности жизни людей и условий производства). NIST не разрабатывает стандарты, но является единственной организациейвСША,утверждающейнациональныестандарты.
Совет по регуляции работы Internet (IAB) определяет основную политику в области Internet. Некоторые из документов «Request for
13
Comments»(RFC)(Запросдлякомментария)разработаныIABвкачестве стандартов Internet, в том числе Тransmission Control Protocol/ Internet Protocol (TCP/IP)иSimpleNetworkManagementProtocol(SNMP).
Работы по стандартизации в области вычислительных сетей и систем направлены на развитие инфокоммуникационных технологий.
Контрольные вопросы
1.Как сегодня решается задача перемещения информации между компьютерами различных схем?
2.Какие проблемы решает эталонная модель OSI?
3.Сколько уровней содержит ЭМВОС?
4.Для чего каждый из уровней модели OSI имеет заранее заданный набор функций?
5.Перечислите состав и основные функции физического уровня модели OSI.
6.Назовите основные типы адресов.
7.Как еще можно назвать адреса сетевого уровня?
8.Какие функции выполняет прикладной уровень модели OSI?
9.Для чего предназначен канальный уровень модели OSI?
10.Перечислите международные организации, занимающиеся разработкой и внедрением стандартов в области инфокоммуникационных технологий.
14
2.ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СЕТИ
2.1.Классификация вычислительных сетей
На сегодняшний день существует несколько признаков, по которым следует классифицировать вычислительные сети: по расстоянию между компьютерами в сети, по типу взаимодействия между компьютерами, по типу самих компьютеров в сети, по способу коммутации, по скорости передачи данных.
По расстоянию между компьютерами в сети различают локальные вычислительные сети (ЛВС), или LAN (Local Area Networks) и территориальные.
Территориальные сети можно разделить:
–на городские сети (MAN – MetropolitanArea Network);
–региональные сети (RCN – Regional computer network);
–национальные сети (NCN – National computer network);
–глобальные сети (WAN – WideArea Network).
Поскоростипередачиинформациикомпьютерныесетиделятся:
–на низкоскоростные (до 10 Мбит/с);
–среднескоростные (до 100 Мбит/с);
–высокоскоростные (свыше 100 Мбит/с).
Для определения скорости передачи данных в сети широко используется бод. Бод (Baud) – единица скорости передачи сигнала, измеряемая числом дискретных переходов или событий в секунду. Если каждое событие представляет собой один бит, бод эквивалентен бит/с (в реальных коммуникациях это зачастую не выполняется).
2.2. Основные понятия компьютерных сетей
Компьютерная сеть – совокупность программно-технических средств, обеспечивающих обмен информацией между двумя и более пользователями, работающими на разных (автономных) компьютерах, соединенных между собой [3, 4].
Компьютерные сети создаются для того, чтобы дать возможность территориально разобщенным пользователям обмениваться информацией между собой, использовать одинаковые программы, общие информационные и аппаратные ресурсы.
Под ресурсами следует понимать данные, приложения (программы), различные периферийные устройства (принтеры, модемы, сканеры, жесткие и гибкие диски и т.д.). По некоторым оценкам, более половины действующих ЭВМ подключены к сетям.
15
Использованиекомпьютерныхсетейимеетмножествопреимуществ:
–снижение затрат за счет коллективного использования разнообразных баз данных и аппаратных средств;
–стандартизация приложений – все пользователи работают на одном
итомже программномобеспечении(ПО),«говорятнаодномязыке»;
–оперативностьполученияинформациибезотрываотрабочихмест;
–эффективное взаимодействие и планирование рабочего времени (проведениидискуссий,оперативныхсовещанийбезотрываотрабочихмест).
Общимикомпонентамивсехсетейявляютсяследующиеэлементы. Серверы (server) – компьютеры, предоставляющие свои ресурсы
сетевым пользователям.
Клиенты (client), рабочие станции – компьютеры, осуществляющие доступксетевымресурсам,предоставляемымисервером(серверами).
Среда (media) – средства передачи информации.
Совместно используемые данные – файлы, передаваемые серверами по сети.
Для создания единого информационного пространства, способного охватить всех пользователей предприятия для предоставления им информации, созданной в разное время и в разном программном обеспечении, используют ЛВС. Под ЛВС понимают совместное подключение нескольких отдельных компьютерных рабочих мест (рабочих станций) к единому каналу передачи данных. Самая простая сеть (англ. Network) состоит как минимум из двух компьютеров, соединенных друг с другом кабелем. Это позволяет им использовать данные совместно. Все сети (независимо от сложности) основываются именно на этом простом принципе. Рождение компьютерных сетей было вызвано практическими потребностями – иметь возможность для совместного использования данных.
Понятие ЛВС относится к географически ограниченным (территориально или производственно) аппаратно-программным реализациям, в которых несколько компьютерных систем связаны друг с другом с помощью соответствующих средств коммуникаций. Благодаря такому соединению пользователь может взаимодействовать к другими рабочими станциями, подключенными с этой ЛВС.
Существует два основных типа сетей: одноранговые и сети на основе сервера. В одноранговой сети все компьютеры равноправны, т.е. нет иерархии среди компьютеров и нет выделенного (англ. dedicated) сервера. Как правило, каждый компьютер функционирует
икак клиент, и как сервер; иначе говоря, нет отдельного компьютера, ответственного за администрирование всей сети. Все пользователи
16
самостоятельно решают, какие данные на своем компьютере сделать общедоступными по сети. На сегодняшний день одноранговые сети бесперспективны. Если к сети подключено более 10 пользователей, то одноранговая сеть, где компьютеры выступают в роли и клиентов, и серверов, может оказаться недостаточно производительной. Поэтому большинство сетей используют выделенные серверы. Выделенным называется такой сервер, который функционирует только как сервер (исключая функции клиента или рабочей станции). Они специально оптимизированы для быстрой обработки запросов от сетевых клиентов и для управления защитой файлов и каталогов. Сети на основе сервера стали промышленным стандартом. Существуют и комбинированные типы сетей, совмещающие лучшие качества одноранговых сетей и сетей на основе сервера.
Впроизводственной практике ЛВС играют очень большую роль. Посредством ЛВС в систему объединяются персональные компьютеры, расположенные на многих удаленных рабочих местах, которые используют совместно оборудование, программные средства и информацию. Рабочие места сотрудников перестают быть изолированными и объединяются в единую систему. Все ЛВС работают в одном стандарте, принятом для компьютерных сетей в стандарте Open Systems Interconnection (OSI).
2.3.Глобальные вычислительные сети
Внастоящее время в мире зарегистрировано более 200 глобальных сетей. Глобальные сети (как и локальные) состоят из компьютеров, соединенных каналами связи. Глобальные вычислительные сети (ГВС) всего мира объедены между собой с помощью Internet.
ДляработывГВСпользователюнеобходимоиметьсоответствующееаппаратноеипрограммноеобеспечение.Впростейшемслучаеизаппаратных средствнужнодополнительноустановитьмодем,спомощьюкоторогоосуществляетсясвязьпотелефоннойлинии(например,изквартиры).
Программное обеспечение принято делить на два класса: про-
граммы-серверы, размещенные на том узле сети, который обслуживает компьютер пользователя; программы-клиенты, которые находятся на компьютере пользователя и пользуются услугами сервера.
Глобальные сети предоставляют пользователям разнообразные услуги: работа с распределенными базами данных; электронная почта; телеконференции; общение в реальном масштабе времени; пересылка файлов и т.д.
17
Каждая услуга (иногда говорят служба, сервис) работает по определенным правилам (протоколам). Для реализации каждой сетевой услуги требуются своя программа-сервер и своя программа-клиент. Например, существуют почтовые серверы и клиенты, серверы и клиенты телеконференций (новостей). В то же время современные про- граммы-навигаторы (исследователи, браузеры, обозреватели) постепенно берут на себя функции отдельных служб глобальной сети и становятся «универсальными» клиентами.
Термин «сервер» имеет второе значение.
Сервером называют также и компьютер, на котором установлены программы-серверы. На одном сервере-компьютере может работать сразу несколько программ-серверов.
Проводные сети (Ethernet) служат для объединения компьютеров в локальную сеть, где требуется вставить в каждый подключаемый к сети компьютер сетевой контроллер (адаптер), который позволяет компьютеру получать информацию из локальной сети и передавать данные в сеть, а также соединить компьютеры кабелями, по которым происходит передача данных между компьютерами, а также другими подключенными к сети устройствами (принтерами, сканерами и т.д.).
Внекоторых типах сетей кабели соединяют компьютеры непосредственно, в других соединение кабелей осуществляется через специальные устройства – концентраторы (или хабы), коммутаторы и др.
Внебольших сетях обычно компьютеры сети соединяются кабелями с концентратором, который и передает сигналы от одних подключенных к нему компьютеров к другим.
Взависимостиотспособасоединенияразличаютследующиетопологии:
– общая шина (рис. 2.1)
Рис. 2.1. Топология «Общая шина»
18
Все компьютеры подключаются к одному кабелю (шине данных). На концах кабеля устанавливаются терминаторы, служащие для гашения сигнала.
Их наличие для сетей Ethernet обязательно. По такой топологии строятся 10-Мбитные сети 10 Base-2 и 10 Base-5. В качестве кабеля используется коаксиальный кабель. Повреждение общего кабеля или любого из двух терминаторов приводит к выходу из строя участка сети между этими терминаторами (сегмента сети). Отключение любого из подключенныхустройствнаработусетиникакоговлияниянеоказывает;
– звезда (рис. 2.2)
Рис. 2.2. Топология «Звезда»
Для построения сети со звездообразной архитектурой в центре сети необходимо разместить концентратор (hub) или коммутатор (switch). Его основная функция – обеспечение связи между компьютерами, входящими в сеть. То есть все компьютеры, включая файлсервер, не связываются непосредственно друг с другом, а присоединяются к концентратору. Такая структура надежнее, поскольку в случае выхода из строя одной из рабочих станций все остальные сохраняют работоспособность. В сетях же с шинной топологией в случае повреждения кабеля хотя бы в одном месте происходит разрыв единственного физического канала, необходимого для движения сигнала. Кроме того, сети с звездообразной топологией поддерживают технологии Fast Ethernet и Gigabit Ethernet, что позволяет увеличить пропускную способность сети в десятки и даже сотни раз (разумеется при использовании соответствующих сетевых адаптеров и кабелей). 100- и 1000-Мбитные сети строятся по топологии «Звезда».
19
2.4. Компоненты вычислительной сети
Концентратор и коммутатор относятся к разным типам активного сетевого оборудования, которое используется для соединения устройств сети. Они отличаются способом передачи в сеть тех данных (трафика), которые к ним поступают. Термин «концентратор» иногда используется для обозначения любого сетевого устройства, которое служит для объединения всех ПК сети, но на самом деле концентратор – это многопортовый повторитель. Устройства этого типа просто передают (повторяют) всю информацию, которую они получают. То есть все устройства, подключенные к портам концентратора, получают одну и ту же информацию.
Концентраторы используются для расширения сети. Однако чрезмерное увлечение концентраторами может привести к большому количеству ненужного трафика, который поступает на сетевые устройства. Ведь концентраторы передают трафик в сеть, не определяя реальный пункт назначения данных. ПК, которые получают пакеты данных, используют адреса назначения, имеющиеся в каждом пакете, для определения, им предназначен пакет или нет. В небольших сетях это не является проблемой, но даже в сетях среднего размера с интенсивным трафиком следует использовать коммутаторы, которые минимизируют количество необязательного трафика.
Коммутаторы контролируют и управляют сетевым трафиком, анализируя адреса назначения каждого пакета. Коммутатор знает, какие устройства соединены с его портами, и направляет пакеты только на необходимые порты. Это дает возможность одновременно работать с несколькими портами, расширяя тем самым полосу пропускания.
Таким образом, коммутация уменьшает количество лишнего трафика, который возникает, когда одна и та же информация передается всем портам. Коммутаторы и концентраторы часто используются в одной и той же сети; концентраторы расширяют сеть, увеличивая число портов, а коммутаторы разбивают сеть на небольшие менее перегруженные сегменты.
В небольшой сети (до 20 рабочих мест) концентратор или группа концентраторов вполне могут справиться с сетевым трафиком. В этом случае концентратор просто служит для соединения всех пользователей сети. В сети большего размера (более 25 пользователей) может появитьсянеобходимостьиспользоватькоммутаторыдляразделениясетинасегменты,чтобыуменьшитьколичествонеобязательноготрафика.
20