Лекция 3
Архитектура сетей. Топологическая модель сети.
Модель организационной структуры сети
Понятие архитектуры сети
Инфо-коммуникационные сети относятся к классу объектов, называемых большими или сложными системами. Сложные системы по своему составу являются гетерогенными, т.е. характеризуются огромным количеством и неоднородностью элементов и связей между ними. Изучением и исследованием сложных систем, как известно, занимается наука системология.
Сети связи наделены всеми признаками сложных систем и подчиняются свойственным им закономерностям. Перечислим наиболее характерные из них.
Иерархичность – расположение частей и элементов целого в порядке от высшего к низшему. Следуя этой закономерности, мы можем расчленять сеть на отдельные подсети (сегменты) низшего порядка. Например, глобальная информационная сеть может быть представлена совокупностью территориальных сетей разного масштаба: континентальных, региональных, городских, локальных и т.д.
Коммуникативность – закономерность, указывающая на множество связей (коммуникаций) системы: внешних – с окружающей средой и внутренних – с собственными подсистемами и элементами. Это означает, что информационную сеть любого уровня иерархии нельзя рассматривать изолированно, без учета влияющих факторов из вне (вышестоящих систем) и, в тоже время, нельзя расчленять ее без учета характера взаимосвязи подсетей и элементов низшего порядка.
Эмержентность – закономерность, заключающаяся в проявлении системой интегрированного качества – целостности, не свойственной отдельным ее элементам. Так, например, в информационной сети мы можем выделить такие функционально важные и относительно независимые подсистемы, как система сетевых приложений, транспортная система, система управления сетью и т.п. Ни одну из перечисленных систем нельзя отождествить с информационной сетью в целом, и только их взаимосвязь отражает это понятие. С другой стороны, рассматривая и изучая структуры отдельных подсистем, мы углубляем свое представление о системе.
Системный подход, системный анализ, как научные методы познания, основанные на методологических принципах системологии, предполагают множество аспектов рассмотрения сложной системы. Для каждого из них выделяется группа наиболее характерных элементов и определяется тип связей между ними. Полученные таким способом частные структуры системы обычно располагают в иерархическом порядке.
Процесс построения иерархического ряда взаимосвязанных частных структур системы носит название «структуризация».
Процесс структуризации сложной системы не поддается формализации и носит сугубо творческий характер. Его часто сравнивают с древнейшим искусством проектирования и строительства – архитектурой.
В технической литературе понятие «архитектура», как правило, связывается с представлением о способе структуризации системы либо ее части. Так, например, следуя указанным выше закономерностям, которым подчиняются сложные системы, в информационной сети можно выделить некоторую подсистему, которая, в свою очередь, может рассматриваться как самостоятельная система некоторого фиксированного уровня иерархии и характеризоваться собственной архитектурой. В зависимости от уровня рассмотрения в иерархическом представлении систем, мы можем говорить об архитектуре сети в целом, архитектуре организации связи в сети (см. протокольные модели), архитектуре сетевого программного обеспечения (например, архитектура клиент-сервер), архитектуре отдельного терминального комплекса, архитектуре коммутационной системы, сетевого сервера и даже архитектуре отдельной интегральной схемы.
В общем случае архитектура является емким понятием, отражающим в виде моделей многообразие и взаимосвязи различных структур, как самой системы, так и ее компонентов. Следует отметить, что само понятие «система» всегда является некоторой абстракцией по отношению к реальному сложному техническому объекту, который с ней ассоциируется, и таким образом может трактоваться как модель. Так, например, информационная сеть в зависимости от аспекта ее рассмотрения может быть представлена моделью технико-экономической системы, если целью исследования является повышение эффективности предоставляемых услуг пользователям. Если исследуются только технико-эксплуатационные параметры, сеть ассоциируется с моделью чисто технической системы и т.д. Модель позволяет отобразить наиболее важные компоненты и связи объекта и опустить несущественные, с точки зрения цели исследования, детали.
Изучение архитектуры любой системы предполагает ее структуризацию, т.е. расчленение на ряд частных структур, каждая из которых, в свою очередь, может быть представлена адекватной моделью. Совокупность этих моделей представляет собой многоуровневое системное описание сложной системы, ассоциируемой с реальным объектом. Уровни модельного описания обычно располагают в иерархическом порядке.
Таким образом, представление об устройстве и функционировании информационной сети может быть сформировано на многоуровневой основе. На каждом из уровней целесообразно рассматривать частную структуру сети как некоторый фиксированный набор элементов, и связей между ними, отражающий степень детализации и абстрагирования, допускаемого для данного уровня рассмотрения сети.
При изучении общих принципов построения информационных сетей целесообразно рассмотрение следующих структур:
топологической, определяющей расположение пунктов сети и линий связи;
организационной, определяющей тип, назначение, статус элементов сети в зависимости от выполняемых ими функций, а также композиционные принципы объединения их в структурные компоненты сети;
логической, описывающей работу сети на уровне взаимодействия сетевых функций и правил установления связи между оконечными системами, взаимодействующими через телекоммуникационную сеть;
физической, отражающей физические устройства и программные средства, в которых реализованы функциональные элементы сети, физические среды передачи и компоненты кабельной системы.
Основываясь на вышеизложенном, дадим определение архитектуры сети.
Архитектурой сети называется системообразующая совокупность ее топологической, организационной, логической и физической структур.
Многоуровневое представление архитектуры сети в виде моделей перечисленных частных структур называется ее системным описанием (рис.4.1).
Ниже рассматриваются некоторые обобщенные модели системного описания сетевой архитектуры, позволяющие уяснить общие принципы построения информационных сетей.
Топологические модели
На уровне самого общего представления любая сеть состоит из совокупности пунктов и соединяющих их линий, взаимное расположение которых характеризует связность сети и способность к обеспечению информационного обмена между различными адресатами. Структура, отображающая расположение пунктов сети и связывающих их линий называется топологией сети. Различают физическую топологию и логическую. Физическая топология отображает размещение пунктов в пространстве и конфигурацию линий связи. Логическая топология дает представление о путях перемещения информационных сообщений в сети от источников к приемнникам на основе адресной информации.
Рисунок 1. Системное описание архитектуры сети
Для исследования топологических особенностей сети ее удобно изображать в виде точек и соединяющих их дуг. Такая геометрическая фигура носит название граф. Точки в графе именуются вершинами, а дуги, если не учитывается их направленность, – ребрами. Граф является моделью топологической структуры информационной сети. Выбор топологии является наипервейшей задачей, решаемой при построении сети. Он осуществляется с учетом таких требований, как экономичность и надежность связи. Задача выбора топологии сети решается сравнительно несложно, если известен набор типовых топологий (примитивов), которые можно использовать как отдельно, так и в комбинации. Рассмотрим ряд таких типовых топологий, назовем их базовыми, и охарактеризуем их особенности.
Топология «точка – точка» является наиболее простым примером базовой топологии и представляет собой сегмент сети, связывающий физически и логически два пункта (рис 2).
называемое защитой типа 1+1. При выходе из строя основной связи сеть автоматически переводится на резервную. Несмотря на всю простоту, именно эта базовая топология наиболее широко используется при передаче больших потоков информации по высокоскоростным магистральным каналам, например, по трансокеанским подводным кабелям, обслуживающим цифровой телефонный трафик. Она же используется как составная часть радиально-кольцевой топологии (в качестве радиусов). Топология «точка–точка» с резервированием типа 1+1 может рассматриваться как вырожденный вариант топологии «кольцо» (см. ниже).
Древовидная топология может иметь различные варианты (рис. 3).
Рисунок 3. Древовидная топология: а – дерево, б – звезда, в – цепь
Особенностью сегмента сети, имеющего древовидную топологию любого из перечисленных вариантов, является то, что связность n пунктов на уровне физической топологии здесь достигается числом ребер R = n – 1, что обеспечивает высокую экономичность такой сети. На логическом уровне, количество связывающих путей передачи информации между каждой парой пунктов в таком сегменте всегда равно h = 1. С точки зрения надежности, это достаточно низкий показатель. Повышение надежности в таких сетях достигается введением резервных связей (например, защиты типа 1+1). Древовидная топология находит применение в локальных сетях, сетях абонентского доступа.
Топология «кольцо» (рис. 4) характеризует сеть, в которой к каждому пункту присоединены две, и только две линии. Кольцевая топология широко используется в локальных сетях, в сегментах меж-узловых соединений территориальных сетей, а также в сетях абонентского доступа, организуемых на базе оптического кабеля.
Число ребер графа, отображающего физическую топологию, равно числу вершин: R = n и характеризует сравнительно невысокие затраты на сеть.
На логическом уровне между каждой парой пунктов могут быть организованы h = 2 независимых связывающих пути (прямой и альтернативный). Это обеспечивает повышение надежности связи в таком сегменте, особенно при использовании резервирования типа 1+1, так называемого двойного кольца (рис. 5). Двойное кольцо образуется физическими соединениями между парами пунктов, при которых информационный поток направляется в двух противоположных направлениях (восточном и западном), причем одно направление используется как основное, второе – как резервное.
Полносвязная топология (рис. 6) обеспечивает физическое и логическое соединение пунктов по принципу «каждый с каждым». Граф, включающий n вершин, содержит R = n (n – 1)/2 ребер, что определяет высокую стоимость сети. Количество независимых связывающих путей между каждой парой пунктов в таком сегменте сети равно h = n – 1. Полносвязная топология на логическом уровне обладает максимальной надежностью связи, благодаря возможности организации большого числа обходных путей. Такая топология характерна для территориальных сетей при формировании сегментов базовых и опорных (магистральных) сетей. Максимальная надежность связи в сегменте достигается при использовании на обходных направлениях альтернативных сред распространения сигналов (например, волоконно-оптический кабель и радиорелейная линия).
Ячеистая топология (рис. 7). Каждый пункт сегмента имеет непосредственную связь с небольшим числом пунктов, ближайших по расстоянию. При большом числе вершин число ребер R » r×n/2, где r – число ребер, инцидентных каждой вершине. Ячеистые сегменты обладают высокой надежностью связи при меньшем числе ребер по сравнению с полно-связным сегментом.
Рисунок.7 Ячеистая топология
Использование полно-связной и ячеистой топологий целесообразно лишь в сегментах с высокой концентрацией трафика, так как их реализация связана со значительными затратами.
Сложные топологии. Реальные сети часто имеют сложные топологии, являющиеся расширениями и/или комбинациями базовых физических топологий. За счет использования сложных топологий удается обеспечивать требования к расширяемости и масштабируемости сети.
Под расширяемостью понимают возможность увеличения размера сети, путем сравнительно несложного включения новых структурных элементов. Расширяемость сети, как правило, ограничена, т.к. начиная с некоторого момента добавление очередного структурного элемента приводит к резкому снижению производительности сети.
Хорошо масштабируемые сети характеризуются неограниченными возможностями по наращиванию сети, не оказывающими влияния на ее производительность. Хорошая масштабируемость является одним из важнейших требований, предъявляемых к современным сетям, особенно территориальным.