5.Взаимодействие нескольких компьютеров: топология физических связей и адресация узлов сети.

Топология физических связей

При количестве компьютеров более двух возникает проблема выбора конфигурации физических связей, или топологии. Под топологией сети понимается конфигурация графа, вершинам которого соответствуют конечные узлы се­ти (например, компьютеры) и коммуникационное оборудование (например, маршрутизаторы), а ребрам – электрические и информационные связи между ними.

Число возможных вариантов конфигураций резко возрастает при увеличении числа связываемых устройств.

Выбор топологии влияет на многие характеристики сети: – надежность (повышается при наличии нескольких путей между узлами; – возможность балансировки нагрузки (появляется -//-); – простота присоединения новых узлов; – экономические соображения (минимальная длина линий связи) и др.

Топологии делят на два класса: полносвязные и неполносвязные.

1) Полносвязная топология (рис. 2.6, а) соответствует сети, в которой каждый ком­пьютер непосредственно связан со всеми остальными.

Достоинства: – логическая простота; – высочайшая надежность; – простота и скорость обмена данными (нет промежуточных узлов).

Недостатки: – громоздкость (при количестве узлов в сети N каждый узел должен иметь N-1 коммуникационных портов, а для построения сети потре­буется N(N - l)/2 физических дуплексных линий связей); – экономическая неэффективность.

Полносвязная топология используется в многома­шинных комплексах или в сетях, объединяющих небольшое количество компью­теров.

2) Ячеистая топология получается из полносвязной путем удаления не­которых возможных связей (рис. 2.6, б). Ячеистая топология допускает соедине­ние большого количества компьютеров и характерна, как правило, для крупных сетей.

3) Кольцевая топология. Главным достоинством кольца является то, что оно по своей природе обладает свойством резервирования связей: любая пара узлов соединена здесь двумя путями. Но для этого должны использоваться специальные протоколы.

4) Топология звезда (рис. 2.6, г) образуется в случае, когда каждый компьютер под­ключается отдельным кабелем к общему центральному устройству, называемо­му концентратором. В функции концентратора входит направление передавае­мой компьютером информации одному или всем остальным компьютерам сети. В качестве концентратора может выступать как компьютер, так и специализиро­ванное устройство, такое как многовходовый повторитель, коммутатор или мар­шрутизатор.

Недостатки: более высокая стоимость сетевого оборудования из-за необходимости приобретения специали­зированного центрального устройства; ограниченные возможности по наращива­нию количества узлов в сети (по количеству портов концентратора).

Если строится сеть с использованием нескольких концентраторов, иерархически соединенных между собой связями типа звезда (рис. 2.6, д), то такую структуру называют также деревом. В настоящее время дерево является самым распространенным типом топологии связей, как в локаль­ных, так и глобальных сетях.

Особым частным случаем звезды является конфигурация общая шина (рис. 2.6, в). Здесь в качестве центрального элемента выступает пассивный кабель, к которо­му по схеме «монтажного ИЛИ» подключается несколько компьютеров. Такую же топологию имеют многие сети, использующие беспроводную связь – роль общей шины здесь играет общая радиосреда. Передаваемая информация рас­пространяется по кабелю и доступна одновременно всем узлам. Основными преимуществами являются ее дешевизна и простота наращивания. Самый серьезный недостаток – низкая надеж­ность (любой дефект кабеля или какого-нибудь из многочисленных разъемов полностью парализует всю сеть). Другим недостатком общей шины является ее невысокая производительность, так как в каж­дый момент времени только один компьютер может передавать данные по сети, поэтому пропускная способность канала связи всегда делится между всеми узлами сети.

5) Небольшие сети, как правило, имеют типовую топологию (звез­да, кольцо или общая шина). Для крупных сетей характерно наличие произволь­ных связей между компьютерами. В таких сетях можно выделить отдельные, произвольно связанные фрагменты (подсети), имеющие типовую топологию, по­этому их называют сетями со смешанной топологией (рис. 2.7).

Адресация узлов сети

При объединении в сеть более двух компьютеров появляется проблема адресации их сетевых интерфейсов. Адреса могут быть числовыми (например, 129.26.255.255) и символьными (site.domen.ru). Один и тот же адрес может быть записан в разных форматах.

Множество всех адресов, которые являются допустимыми в рамках некоторой схемы адресации, называется адресным пространством. Адресное пространство может иметь плоскую (линейную) организацию или иерархическую организацию. В первом случае множество адресов никак не структу­рировано. При иерархической схеме адресации оно организовано в виде вложен­ных друг в друга подгрупп. Иерархическая адресация во многих случаях оказывается более рациональной, чем плоская. В больших сетях использование плоских адресов может при­вести к большим издержкам – конечным узлам и коммуникационному оборудо­ванию придется оперировать с таблицами адресов, состоящими из тысяч запи­сей.

К адресу сетевого интерфейса и схеме его назначения можно предъявить не­сколько требований: – Схема должна сводить к минимуму ручной труд админи­стратора и вероятность дублирования адресов. – Желательно, чтобы адрес имел иерархическую структуру, удобную для по­строения больших сетей. – Адрес должен быть удобен для пользователей сети, то есть дол­жен допускать символьное представление, например Servers или www.cisco.com. – Адрес должен быть по возможности компактным, чтобы не перегружать па­мять коммуникационной аппаратуры – сетевых адаптеров, маршрутизаторов и т. п.

Эти требования противоречивы – например, иерархический адрес, будет менее компактным, чем пло­ский. Символьные имена удобны для людей, но имеют переменный формат и по­тенциально большую длину. Поэтому на практике обычно используется сразу несколько схем, и сетевой интерфейс компьютера может одновременно иметь несколько адре­сов-имен. Каждый адрес задействуется в той ситуации, когда он наиболее удобен. Для преобразования адресов из одного вида в другой используются специальные вспомогательные протоколы, которые назы­вают иногда протоколами разрешения адресов (address resolution protocols).

Примером плоского числового адреса является МАС-адрес, предназначенный для однозначной идентификации сетевых интерфейсов в локальных сетях. При задании МАС-адресов не требуется выполнение ручной работы, так как они обычно встраиваются в аппаратуру ком­панией-изготовителем, поэтому их называют также аппаратными (hardware) ад­ресами.

Типичными представителями иерархических числовых адресов являются сете­вые IP-адреса. В них поддерживается двухуровневая иерархия, адрес де­лится на старшую часть – номер сети и младшую – номер узла. В последнее время предлагаются более сложные вариан­ты числовой адресации с тремя и более составляющими Такой (например в протоколе IPv6).

Символьные адреса или имена предназначены для запоминания людьми и по­этому обычно несут смысловую нагрузку.

Задача разрешения адресов может решаться как полностью централизованными, так и распределенными средствами. В случае централизо­ванного подхода в сети выделяется один или несколько компьютеров (серверов имен), в которых хранится таблица соответствия друг другу имен различных ти­пов, например, система доменных имен (Domain Name System, DNS) сети Интернет.

При другом, распределенном, подходе каждый компьютер сам решает задачу ус­тановления соответствия между адресами. Недостатком распределенного подхода является необходимость широковещательных сообщений для поиска в сети компьютера по символьному имени для получения его аппаратного имени. Такие сообщения перегружают сеть, так как они требуют обязательной обработки всеми узлами. Поэтому распределенный подход используется только в небольших ло­кальных сетях.

Рис. 2.1. Связь компьютера с периферийным устройством Рис. 2.2. Взаимодействие двух компьютеров

Рис. 2.4, Примеры представления дискретной информации Рис, 2.6. Типовые топологии сетей

Рис. 2.7. Смешанная топология