-
Локальные сети
После создания персональных компьютеров появилась проблема их соединения. Компьютеры и различные подсистемы, объединенные в единую систему, называются сетью. Локальные вычислительные сети позволяют объединять компьютеры, расположенные в ограниченном пространстве. Локальные сети можно объединять в крупномасштабные образования – CAN (Campus-Area Network – кампусная сеть, объединяющая локальные сети близко расположенных зданий), MAN (Metropolitan-Area Network – сеть городского масштаба), WAN (Wide-Area Network – широкомасштабная сеть), GAN (Global-Area Network – глобальная сеть). Сетью сетей в наше время называют глобальную сеть – Интернет. Понятие интранет (intranet) обозначает внутреннюю сеть организации, где важны два момента:
-
изоляция или защита внутренней сети от внешней;
-
использование сетевого протокола ip и web-технологий.
Оборудование сетей подразделяется на активное – интерфейсные карты компьютеров, повторители, концентраторы и т.п. и пассивное – кабели, соединительные разъёмы, коммутационные панели и т.п.
Конечными системами (End System) называются объекты, генерирующие или потребляющие информацию. Каждая конечная система сопрягается с промежуточной системой (Intermediate System) – аппаратурой, которая выполняет вспомогательные функции, связанные с передачей информации.
К конечным системам относятся компьютеры, терминалы, сетевые принтеры, кассовые аппараты и любые другие периферийные устройства, снабженные сетевым интерфейсом. К промежуточным системам относятся концентраторы (повторители, мосты, коммутаторы), маршрутизаторы, модемы и прочие телекоммуникационные устройства, а также соединяющая их кабельная и/или беспроводная инфраструктура.
Поток информации, передаваемый по сети, называют сетевым трафиком. Трафик, помимо полезной информации, включает и служебную часть – неизбежные накладные расходы на организацию взаимодействия узлов сети. Пропускная способность линий связи, называемая также полосой пропускания (bandwidth), определяется как количество информации, проходящей через линию за единицу времени. Измеряется в бит/сек (bps – bit per second), Кбит/с (kbps), Мбит/с (Mbps), Гбит/с (Gbps), Тбит/с (Tbps)… Здесь, как правило, приставки имеют десятичное значение (1 Кбит/с = 1000 бит/с), а не двоичное. Для активного коммуникационного оборудования применимо понятие производительность и в другом аспекте. Полоса пропускания активного оборудования измеряется в единицах структурированной информации в единицу времени: пакеты в секунду (pps – packets per second), кадры в секунду (fps – frames per second), ячейки в секунду (cps – cells per second). Естественно, при этом оговаривается и размер структур (пакетов, кадров, ячеек).
Модель взаимодействия открытых систем
Для обеспечения связи между сетевыми устройствами организацией ISO была разработана модель взаимодействия открытых систем ВОС (OSI – Open System Interconnection). Она основана на уровневых протоколах и спецификациях, что позволило обеспечить:
-
логическое разбиение сложной сети на более простые части – уровни;
-
стандартные интерфейсы между сетевыми функциями;
-
аналогичность функций одного уровня в каждом узле сети;
-
общий язык для взаимопонимания разработчиков различных частей сети.
Функции любого узла сети разбиваются на уровни, для конечных систем их семь (рис.10.1). Внутри каждого узла взаимодействие осуществляется по вертикали. Взаимодействие между двумя узлами происходит по горизонтали. Реально же из-за отсутствия непосредственных горизонтальных связей производится спуск до нижнего уровня в источнике, связь посредством физической среды и подъем до соответствующего уровня в приемнике информации.
Рис. 10.1. Модель взаимодействия открытых систем.
7. Прикладной уровень (application layer) – высший уровень модели, который обеспечивает пользовательской прикладной программе доступ к сетевым ресурсам. Примеры: X.400 – сервис электронной почты; FTP – пересылка файлов; Telnet – эмуляция терминала.
6. Представительский уровень (presentation layer) – обеспечивает преобразование кодов, форматов файлов, сжатие и распаковку, шифрование и дешифрование данных. Пример протокола – SSL (Secure Socket Layer), обеспечивающий конфиденциальность передачи данных в стеке TCP/IP.
5. Сеансовый уровень (session layer) – обеспечивает инициацию и завершение сеанса (диалога между устройствами), синхронизацию и последовательность пакетов в сетевом диалоге, надежность соединения до конца сеанса (обработку ошибок, повторные передачи). Примеры: NetBIOS (Network Basic Input/Output System) – разработка IBM; NetBEUI (Network Basic Extended User Interface) – реализация и расширение NetBIOS фирмой Microsoft.
4. Транспортный уровень (transport layer) – отвечает за передачу данных от источника к получателю с уровнем качества (пропускная способность, задержка прохождения, уровень достоверности), затребованным сеансовым уровнем. Примеры: TCP (Transmission Control Protocol) – протокол передачи данных с установлением соединения; UDP (User Datagram Protocol) – протокол передачи данных без установления соединения; SPX (Sequenced Packet Exchange) – протокол передачи данных Novell NetWare с установлением соединения.
3. Сетевой уровень (network layer) – отвечает за адресацию, поиск пути от источника к получателю или между двумя промежуточными устройствами (маршрутизацию). Примеры:ARP (Address Resolution Protocol) – взаимное преобразование аппаратных и сетевых адресов; IP (Internet Protocol) – протокол доставки дейтаграмм, основа стека TCP/IP; IPX (Internetwork Packet Exchange) – базовый протокол NetWare.
2. Канальный уровень (data link layer) – обеспечивает формирование кадров, передаваемых через физический уровень, контроль ошибок и управление потоком данных (data flow control).
IEEE в своей сетевой модели ввел дополнительное деление на два подуровня:
-
Подуровень LLC (Logical Link Control – управление логическим соединением) является стандартным интерфейсом с сетевым уровнем, независимым от сетевой технологии.
-
Подуровень MAC (Media Access Control – управление доступом к среде) осуществляет доступ к уровню физического кодирования и передачи сигналов.
1. Физический уровень (physical layer) – обеспечивает физическое кодирование бит кадра в электрические сигналы и передачу их по линиям связи. Определяет тип кабелей и разъёмов, назначение контактов и формат физических сигналов. Примеры: IEEE 802.3 – Ethernet 10 Mбит/с; IEEE 802.2 – Token Ring;
В реальных сетях используют различные протокольные стеки, и далеко не всегда возможно практическое разделение систем на уровни OSI. Однако соотнесение функциональных модулей с уровнями модели помогает осмыслению возможностей взаимодействия разнородных систем. При всем многообразии подходов к реализации верхних уровней стеков стандартизация на физическом, канальном и сетевом уровнях соблюдается довольно строго.
Топология локальных сетей
Локальные сети состоят из конечных и промежуточных устройств, соединенных кабельной системой. Определим основные понятия:
-
Узлы сети (nodes) – конечные и промежуточные устройства, наделенные сетевыми адресами. Примеры: компьютеры с сетевым интерфейсом, выступающие в роли рабочих станций и/или серверов; сетевые периферийные устройства (принтеры, сканеры); сетевые телекоммуникационные устройства (модемы коллективного использования, модемные пулы); маршрутизаторы.
-
Кабельный сегмент – отрезок кабеля или цепочка отрезков кабелей, электрически (оптически) соединенных друг с другом, обеспечивающие соединение двух или более узлов сети.
-
Сегмент сети – совокупность узлов сети, использующих общую (разделяемую) среду передачи. Применительно к технологии Ethernet это совокупность узлов, подключенных к одному коаксиальному кабельному сегменту, одному повторителю (хабу), а также к нескольким кабельным сегментам, связанных между собой повторителями. Применительно к Token Ring это одно кольцо.
-
Сеть (логическая) – совокупность узлов сети, имеющих одну систему адресации третьего уровня.
-
Облако (cloud) – коммуникационная инфраструктура с однородными внешними интерфейсами, подробностями которой не интересуются.
По способу использования кабельных сегментов различают:
-
Двухточечные соединения (point-to-point connection – соединение точка-точка) – между двумя и только двумя узлами. Для таких соединений в основном используются симметричные электрические (витая пара) и оптические кабели.
-
Многоточечные соединения (multi point connection) – к одному кабельному сегменту подключается более двух узлов. Типичная среда передачи – несимметричный электрический кабель (коаксиальный).
Связь между конечными узлами, подключенными к различным кабельным и логическим сегментам, обеспечивается промежуточными системами – активными коммуникационными устройствами. Эти устройства имеют не менее двух портов (интерфейсов). По уровням модели открытых систем эти устройства классифицируются следующим образом:
-
Повторитель (repeater) – устройство физического уровня, позволяющее преодолевать топологические ограничения кабельных сегментов. Информация из одного кабельного сегмента в другой передается побитно, анализ информации не производится.
-
Мост (bridge) – средство объединения сегментов сетей, обеспечивающее передачу кадров из одного сегмента в другие. Кадр, пришедший из одного сегмента, может быть передан (forwarding) в другой или отфильтрован (filtering). Решение о продвижении или фильтрации (игнорировании) кадра принимается на основании информации 2-го уровня:
-
Мост MAC-подуровня (MAC Bridge) позволяет объединять сегменты в пределах одной технологии.
-
Мост LLC-подуровня (LLC Bridge), он же транслирующий мост (translating bridge), позволяет объединять сегменты сетей с разными технологиями (например, Ethernet-Fast Ethernet, Ethernet-FDDI).
-
-
Коммутатор (switch) второго уровня (MAC и LLC) выполняет функции, аналогичные функциям мостов, но используется для сегментации (разбиения) сетей на мелкие части с целью повышения пропускной способности.
-
Маршрутизатор (router) работает на 3-м уровне и используется для передачи пакетов между сетями. В отличие от повторителей и мостов/коммутаторов, присутствие маршрутизатора известно узлам сетей, подключенных к его интерфейсам. Каждый порт маршрутизатора имеет свой сетевой адрес, на этот адрес узлы посылают пакеты, предназначенные узлам другим сетей.
-
Коммутатор третьего уровня (L3 switch) решает задачи, близкие задачам маршрутизаторов, и ряд других с более высокой производительностью. В настоящее время появились коммутаторы и 4-го уровня.
Различают физическую топологию, определяющую правила физических соединений узлов (прокладку реальных кабелей), и логическую топологию, определяющую направления потоков данных между узлами сети.
Методы доступа к среде передачи делятся на вероятностные и детерминированные.
При вероятностном (probabilistic) методе доступа узел, желающий послать кадр в сеть, прослушивает линию. Если линия занята или обнаружена коллизия (столкновение сигналов от двух передатчиков), то попытка передачи откладывается на некоторое время. Типы:
-
CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance) –множественный доступ с прослушиванием несущей и избежанием коллизий. Apple LocalTalk.
-
CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect) – множественный доступ с прослушиванием несущей и обнаружением коллизий. Ethernet, EtherTalk и проч.
Общий недостаток вероятностных методов доступа – неопределенное время прохождения кадра, резко возрастающее при увеличении нагрузки на сеть, что ограничивает его применение в сетях реального времени.
При детерминированном (deterministic) методе узлы получают доступ к среде в предопределенном порядке. Последовательность определяется контроллером сети, который может быть централизованным (посредством сервера) и/или распределенным (посредством всех узлов сети). Типы:
-
доступ с передачей маркера (Arc Net, Token Ring, FDDI);
-
опрос готовности – polling (технология 100VG-AnyLAN).