Компоненти архітектури комп’ютерної мережі
Будь-яка комп’ютерна мережа характеризується своєю арітектурою, яка визначається її топологією, протоколами, інтерфейсами, мережевими технічними і програмними засобами.
Кожна з цих складових характеризує окремі властивості системи. Тільки сукупність всіх цих складових може характеризувати системи загалом.
Всі компоненти архітектури комп’ютерної мережі є відносно незалежними. Це дає змогу вибирати для кожного випадку дійсно найбільш оптимальний варіант архітектури комп’ютерної мережі.
Топологія – відображає структуру зв’язків між основними елементами комп’ютерної мережі.
Топологія глобальних мереж характеризується достатньо складною, неоднорідною структурою
Топологія локальної мережі, як правило, має визначену структуру: лінійну, кільцеву або деревоподібну.
Протоколами називають набір правил, що описують метод передачі інформації по мережі. Протоколи управляють форматом, часом передачі даних і виправленням помилок, що виникають при передачі.
Інтерфейси – це засоби сполучення функціональних елементів мережі.
В ролі функціональних елементів можуть виступати як окремі пристрої, так і програмні модулі. Відповідно до цього існують апаратні і програмні інтерфейси.
Під мережевими технічними засобами мають на увазі різноманітні пристрої, що забезпечують об’єднання комп’ютерів в єдину комп’ютерну мережу.
До цих пристроїв відносять мережеві контролери, вузли комутації тощо.
Мережеві програмні засоби керують роботою комп’ютерної мережі і забезпечують відповідний інтерфейс з користувачем. До них належать мережеві операційні системи і допоміжні (сервісні) програми.
Архітектура сучасних комп’ютерних мереж
Основні терміни
Гілка мережі - це шлях, який поєднує два суміжних вузла.
Вузол мережі - це комп’ютер або комутуючий пристрій мережі.
Вузли бувають трьох типів:
кінцевий вузол - розташований в кінці тільки однієї гілки;
проміжний вузол - розташований на кінцях більше ніж однієї гілки;
суміжний вузол - такі вузли з’єднані якнайменше одним шляхом, який не має ніяких інших вузлів.
Топологія локальних мереж
Залежно від конфігурації, розрізняють такі базові (основні) мережеві топології:
зіркоподібні:
шинні;
кільцеві:
деревоподібні.
Зіркоподібна топологія
Зіркоподібна мережа характеризується наявністю центрального вузла комутації - мережевого сервера, до якого (або через який) надсилаються всі повідомлення.
Зіркоподібна мережа - мережа, в якій є тільки один проміжний вузол.
Структура зіркоподібної мережі
На мережевий сервер, крім основних функцій, можуть бути покладені додаткові функції з узгодження швидкостей роботи станцій і перетворення протоколів обміну. Це дозволяє в рамках однієї мережі об’єднувати різнотипні робочі станції.
У мережах, що використовують топологію "зірка", мережевий носій з'єднує центральний концентратор з кожним пристроєм, підключеним до мережі. Фізичний вигляд топології "зірка" нагадує радіальні спиці, виходять з центру колеса. У цій топології використовується управління з центральної точки, а зв'язок між пристроями, підключеними до мережі, здійснюється за допомогою двоточкових ліній між кожним пристроєм та центральним каналом або концентратором.
Весь мережевий трафік в зіркоподібній топології проходить через концентратор. Спочатку дані посилаються концентратору, а потім концентратор переправляє їх пристрою у відповідності з адресою, що містяться в даних.
Максимально допустима довжина відрізків мережевого кабелю між концентратором і будь-якою робочою станцією (їх ще називають горизонтальної кабельної системою) становить 100 метрів. Величина максимальної протяжності горизонтальної кабельної системи встановлюється Асоціацією електронної промисловості (Electronic Industries Association, EIA) та Асоціацією телекомунікаційної промисловості (Telecommunications Industry Association, TIA). Ці дві організації спільно створюють стандарти, які часто називають стандартами EIA/TIA. Зокрема, для технічного забезпечення горизонтальної кабельної системи був і залишається найбільш широко використовуваним стандарт EIA/T1A-568B.
У топології "зірка" кожен відрізок горизонтальної кабельної системи виходить з концентратора, багато в чому нагадуючи спицю колеса. Отже, локальна мережа, що використовує цей тип топології, може покривати область 200x200 метрів.
Коли сигнал покидає передавальну станцію, він чистий і легко помітний. Однак у міру руху в середовищі передачі даних сигнал погіршується і слабшає - чим довше кабель, тим гірше сигнал; це явище називається аттенюаціей. Тому, якщо сигнал проходить відстань, яке перевищує максимально допустимий, немає гарантії, що мережевий адаптер зможе цей сигнал прочитати.
Недоліки зіркоподібних мереж
1. При підключенні великої кількості робочих станцій підтримання високої швидкості комутації вимагає значних апаратурних витрат.
2. Значне функціональне навантаження центрального вузла (сервера) зумовлює його складність, що, в свою чергу, знижує його надійність.
Для часткового усунення цих недоліків в сучасних мережах використовують зіркоподібну мережу з розподіленим керуванням.
В такій мережі функції комутації робочих станцій і керування мережею розподілені між мережевим сервером і комутатором.
Мережевий сервер підключається до комутатора як робоча станція, але з максимальним пріоритетом. Завдяки цьому структура центрального вузла значно спрощується, що в поєднанні з високошвидкісними каналами дозволяє досягти високої швидкості передачі даних (в мережі Ultra Net швидкість передачі даних становить 1,4 Гбіт/с).
Структура зіркоподібної мережі з розподіленим керуванням
Шинна топологія
У локальних мережах з шинною топологією всі робочі станції за допомогою мережевих адаптерів підключаються до загальної магістралі (шини).
У процесі роботи інформація від передавальної робочої станції надходить на адаптери всіх робочих станцій, але сприймається тільки адаптером тієї робочої станції, якій вона адресована.
Шинна топологія мережі
Передача сигналу в шинній топології
Коли джерело передає сигнали в мережеву середу, вони рухаються в обох напрямках від джерела. Ці сигнали доступні всім пристроям в ЛВС. Кожен пристрій перевіряє дані, які проходять. Якщо MAC-або IP-адреса пункту призначення, що міститься в пакеті даних, не збігається з відповідною адресою цього пристрою, дані ігноруються. Якщо ж MAC-або IP-адреса пункту призначення, що міститься в пакеті даних, збігається з відповідною адресою пристрою, то дані копіюються цим пристроєм і передаються на канальний і мережевий рівні еталонної моделі OSI.
На кожному кінці кабелю встановлюється термінатор. Коли сигнал досягає кінця шини, він поглинається термінатором. Це запобігає відображення сигналу і повторний прийом його станціями, підключеними до шини.
Для того щоб гарантувати, що в даний момент передає тільки одна станція, в мережах з шинної топологією використовується механізм виявлення конфліктів, інакше, якщо декілька станцій одночасно спробують здійснити передачу, виникне колізія. У разі виникнення колізії дані від кожного пристрою взаємодіють один з одним (тобто імпульси напруги від кожного з пристроїв будуть одночасно присутні у загальній шині), і таким чином, дані від обох пристроїв будуть пошкоджуватися. Область мережі, в межах якої був створений пакет і виник конфлікт, називається доменом колізій. У шинній топології, якщо пристрій виявляє, що має місце колізія, мережевий адаптер відпрацьовує режим повторної передачі із затримкою. Оскільки величина затримки перед повторною передачею визначається за допомогою алгоритму, вона буде різна для кожного пристрою в мережі, і, таким чином, зменшується ймовірність повторного виникнення колізії.
Переваги і недоліки шинної топології
Типова шинна топологія має просту структуру кабельної системи з короткими відрізками кабелів. Тому в порівнянні з іншими топологіями вартість її реалізації невелика. Однак низька вартість реалізації компенсується високою вартістю управління. Фактично, найбільшим недоліком шинної топології є те, що діагностика помилок і ізолювання мережевих проблем можуть бути досить складними, оскільки тут є кілька точок концентрації.
Так як середовище передачі даних не проходить через вузли, підключені до мережі, втрата працездатності одного з пристроїв ніяк не позначається на інших пристроях. Хоча використання всього лише одного кабелю може розглядатися як перевагу шинної топології, однак воно компенсується тим фактом, що кабель, який використовується в цьому типі топології, може стати критичною точкою відмови.
Іншими словами, якщо шина обривається, то жодний з підключених до неї пристроїв не зможе передавати сигнали.
Кільцева топологія
Кільцева мережа характеризується наявністю замкнутого односпрямованого каналу передачі даних у вигляді кільця або петлі.
Кільцева мережа - мережа, в якій до кожного вузла під’єднані дві і тільки дві гілки.
Інформація передається послідовно між адаптерами робочих станцій, поки не буде прийнята одержувачем і вилучена з мережі. За вилучення інформації з мережі відповідає її відправник.
Керування роботою кільцевої мережі може здійснюватись централізовано - спеціальними моніторними станціями, або децентралізовано - розподіленням функцій керування між усіма робочими станціями.
Кільцева топологія мережі
Для підвищення надійності кільцевої мережі (у випадку розірвання кільця) використовують метод «подвійного» кільця. Цей метод передбачає включення до складу локальної мережі додаткових ліній зв’язку й пристроїв реконфігурації - спеціальних перемикальних пристроїв.
«Подвійне» кільце. Перемикання кілець.
Деревоподібна топологія
Найбільш поширеними є локальні мережі деревоподібної топології.
Деревоподібна мережа - мережа, яка містить більше двох кінцевих вузлів і щонайменше два проміжних вузли, а також в якій між двома вузлами є тільки один шлях.
У ролі вузлів комутації найчастіше виступають високошвидкісні комутатори (хаби). «Hub» з англійської перекладається як «концентратор».
Переваги деревоподібної топології мережі.
1. Вища живучість.
Відімкнення або вихід з ладу однієї з ліній або комутатора не позначається на роботі всієї мережі.
2. Структура мережі найбільше відповідає структурі інформаційних потоків між абонентами мережі.
Деревоподібна топологія мережі
Логічна організація мережі
Крім фізичної топології локальна мережа характеризується логічною структурою.
На рівні логічної структури визначається:
логічний канал передачі інформації:
порядок доступу робочих станцій до спільного передавального середовища;
характер взаємодії комп’ютерів між собою.
Логічний канал задає послідовність передачі інформації робочими станціями.
При цьому логічна організація не завжди збігається з топологією мережі.
Типи логічних каналів:
лінійні логічні канали;
кільцеві логічні канали.
Лінійна логічна організація
При лінійній логічній організації всі вузли локальної мережі пов’язані між собою за допомогою спільної логічної шини.
В цьому випадку інформація від вузла надходить на спільну логічну шину, після чого залежно від адреси одержувача, надходить на один з вузлів локальної мережі. Така організація відповідає лінійній фізичній структурі.
Це найпростіший вид логічної організації, який не вимагає спеціального керування.
Логічна лінійна структура
При кільцевій логічній організації використовується спільна керуюча інформація, наприклад, у вигляді маркера, який послідовно передається між вузлами мережі.
При надходженні маркера вузол отримує можливість передавати інформацію у фізичне середовище.
Кільцева логічна структура може використовуватись не тільки в кільцевій, але й у лінійній фізичній структурі локальних мереж.
Логічна кільцева структура
На наступному рисунку наведений варіант реалізації кільцевої логічної структури в рамках фізичної шинної топології.
Логічна кільцева та фізична шинна топології локальної мережі
При такій організації мережі керуюча інформація (маркер) передається як в логічному кільці від вузла до вузла, а дані передаються через спільну шину безпосередньо адресату. Це дає змогу виключити утворення колізій, які присутні в класичній лінійній організації мережі.
Послідовність робочих станцій у логічному кільці може не збігатись з їх фізичними адресами.
У рамках кільцевої фізичної структури, як правило, реалізується кільцева логічна структура. В цьому випадку логічна і фізична структури збігаються: маркер і дані передаються кільцем в одному напрямку.
Технологія клієнт-сервер
Технологія клієнт-сервер - це особливий спосіб взаємодії комп’ютерів у локальній мережі, коли один з комп’ютерів (сервер) надає свої ресурси іншому комп’ютеру (клієнту).
Типи мереж:
однорангові:
серверні.
При одноранговій архітектурі в мережі відсутні виділені сервери, кожна робоча станція може виконувати функції клієнта і сервера.
У цьому випадку робоча станція виділяє частину своїх ресурсів у спільне користування всім робочим станціям мережі. Зазвичай, однорангові мережі створюються на базі однакових за потужністю комп’ютерів. Однорангові мережі є досить простими в налагодженні та експлуатації.
Сфера застосування: мережа складається з невеликої кількості комп’ютерів і основним завданням мережі є створення можливості обміну інформацією між робочими станціями мережі.
Недоліки.
1. Наявність розподілених даних і можливість зміни своїх серверних ресурсів кожною робочою станцією ускладнює захист інформації від несанкціонованого доступу. Методом запобігання цього недоліку є розробка додаткового програмного забезпечення.
2. Низька продуктивність. Це пояснюється тим, що мережеві ресурси зосереджені на робочих станціях, яким доводиться одночасно виконувати функції клієнтів і серверів. Методом запобігання цього недоліку є збільшення потужності комп’ютерів.
У серверних мережах здійснюється чіткий поділ функцій між комп’ютерами: одні з них постійно є клієнтами, а інші - серверами.
Розглянемо найбільш розповсюджені види серверів.
1 Мережевий сервер - це спеціалізований комп’ютер, орієнтований на виконання основного обсягу обчислювальних робіт і функцій з керування комп’ютерною мережею.
Цей сервер містить ядро мережевої операційної системи, під керуванням якої здійснюється робота всієї локальної мережі.
Мережевий сервер має досить високу швидкодію і великий об’єм пам’яті.
Функції робочих станцій: ввод-вивод інформації та обмін нею з мережевим сервером.
2 Файловий сервер - це комп’ютер, основною функцією якого є збереження, керування та передача файлів даних.
Він не опрацьовує і не змінює файли, які зберігаються на ньому і ним передаються. Сервер може «не знати», чи є цей файл текстовим документом, електронною таблицею чи графічним зображенням. На файловому сервері можуть бути відсутні клавіатура та монітор.
Всі зміни файлів здійснюються з клієнтських робочих станцій. Для цього клієнти зчитують файли даних з файлового сервера, вносять зміни до них і повертають їх знову на файловий сервер.
Сфера застосування: мережа з великою кількістю користувачів із спільною базою даних.
У рамках дуже великих мереж можливо використання декількох файлових серверів.
3 Сервер друку (принт-сервер) - це друкувальний пристрій, який за допомогою мережевого адаптера підключається до передавального середовища. Такий мережевий друкувальний пристрій є самостійним і працює незалежно від інших мережевих пристроїв.
Сервер друку обслуговує заявки на друк від всіх робочих станцій та серверів. У ролі серверів друку використовуються спеціальні високопродуктивні принтери.
4 Поштові сервери - за їх допомогою опрацьовуються повідомлення електронної пошти.
Їх використання необхідно лише у випадку високої інтенсивності обміну даними з глобальними мережами в рамках локальних мереж.
5 Web-сервери використовують для ефективної взаємодії з мережею Internet.
6 Проксі сервер - це проміжний комп'ютер, який є посередником ("proxy" - посередник) між комп'ютером користувача і інтернетом. Через нього проходять усі звернення звернення користувачів локальної мережі до Internet (глобальної мережі). Proxy їх обробляє і передає результати. Proxy-сервер може: прискорити роботу з Internet; зробити подорож по мережі інтернет анонімною; дозволити входити в чати, навіть якщо особистий комп’ютер користувача локальної мережі заблокований і багато іншого.
Топологія глобальних мереж
На відміну від локальних, глобальні мережі характеризуються досить складною нерегулярною топологією.
Основу передавального середовища глобальних мереж становлять вузли комутації, пов’язані між собою каналами передачі даних.
Канали передачі даних - це канали зв’язку, пристосовані для передачі дискретної інформації у вигляді масивів даних. При цьому висуваються достатньо високі вимоги до безпомилкової передачі інформації.
Як правило, роботою мережі управляє спеціальний комп’ютер - сервер мережі.
Файл - сервери служать для збереження значних обсягів інформації й організації ефективного доступу до неї з боку робочих станцій.
Сервери доступу (проксі-сервери)- спеціальні комп’ютери, за допомогою яких забезпечується ефективний доступ певної кількості робочих станцій до комп’ютерної мережі.
Кількість і місце розташування вузлів комутації вибирається таким чином, щоб при мінімальних витратах забезпечити необхідну пропускну спроможність мережі передачі даних.
Структура глобальної комп’ютерної мережі
Віртуальні мережі (VLAN)
Комутатор Ethernet фізично сегментує LAN на окремі колізійні домени. Однак кожен сегмент є частиною одного широкомовного домену. Всі сегменти комутатора складають один широкомовний домен. Це означає, що вузол одного сегмента здатний встановити широкомовний режим на всіх вузлах всіх сегментів.
Віртуальна мережа (virtual LAN, VLAN) являє собою логічне об'єднання мережевих пристроїв або користувачів, не обмежене одним фізичним сегментом.
Віртуальна локальна мережа (virtual LAN, VLAN) - група пристроїв у локальній мережі, які сконфігуровані (з використанням керуючого програмного забезпечення) таким чином, що вони можуть обмінюватися інформацією так, ніби вони були з'єднані одним кабелем. У дійсності вони розташовуються в різних сегментах локальної мережі. Оскільки віртуальні мережі ґрунтуються на логічному, а не фізичному з'єднанні, вони є надзвичайно гнучкими.
Пристрої або користувачі VLAN можуть бути згруповані по виконуваних функціях, по приналежності до однієї організації, за характером використовуваних додатків тощо, незалежно від їх фізичного розташування в сегментах. VLAN створює єдиний широкомовний простір, не обмежений фізичним сегментом, і його можна розглядати як підмережу.
Створення мережі VLAN проводиться в комутаторі за допомогою відповідного програмного забезпечення. Мережі VLAN не стандартизовані і вимагають використання ліцензійного програмного забезпечення від виробника комутатора.
Конфігурація типової локальної мережі визначається фізичною інфраструктурою з'єднання пристроїв, які утворюють мережу. Угрупування користувачів здійснюється виходячи з розташування їхніх комп'ютерів по відношенню до концентратора (hub), і ґрунтується на структурі кабелів, прокладених до монтажної шафи. Маршрутизатор, який з'єднує між собою всі концентратори, зазвичай здійснює сегментацію мережі і діє як широкомовний брандмауер (broadcast firewall), в той час як сегменти, створені комутаторами, таку властивість не мають. Такий тип сегментації при угрупованні не враховує взаємозв'язку робочих груп та вимоги до ширини смуги пропускання. Внаслідок цього вони використовують один і той же сегмент і в рівній мірі претендують на одну і ту ж смугу пропускання, хоча вимоги до неї для різних груп і підрозділів можуть значно відрізнятися.
Приклад будови віртуальної мережі
Необхідність в стандартах
До недавнього часу існувала в деякій мірі плутана суміш стандартів, які управляють різними аспектами мережевих середовищ передачі даних. Ці стандарти охоплювали діапазон від правил протипожежної безпеки та будівельних норм до докладних специфікацій електричних характеристик.
Інші стандарти описували методи тестування, які б забезпечували безпечну експлуатацію і працездатність мережі. Перші стандарти, розроблені для мережевих середовищ передачі даних, являли собою в основному корпоративні стандарти, створені різними компаніями. Пізніше відбулося об'єднання численних організацій і урядових установ в рух за регламентацію та введення специфікацій типу кабелю, який можна використовувати в мережах. Протягом двох останніх десятиліть спостерігалося значне зростання глобальних мереж. Переконавшись, що використання мережевих технологій обіцяє суттєву економію грошових коштів і підвищення продуктивності праці, великі організації стали приділяти особливу увагу цьому напрямку. Нові технології та продукти впроваджувалися відразу після їх появи, і тому багато мереж були сформовані з використанням різних апаратних і програмних засобів. Внаслідок цього багато мереж виявилися несумісними і стало складним організовувати обмін інформацією між комп'ютерами, використовуючи різні мережеві специфікації.
Найбільший інтерес представляють стандарти мережевих середовищ передачі даних, що розробляються і випускаються Інститутом інженерів з електротехніки та електроніки (Institute of Electrical and Electronic Engineers, IEEE), лабораторією з техніки безпеки (Underwriters Laboratories, UL), Асоціацією електронної промисловості (Electrical Industries Association, EIA) та Асоціацією телекомунікаційної індустрії (Telecommunications Industry Association, TIA). Крім цих груп і організацій випуском специфікацій і технічних вимог, які можуть вплинути на тип кабелю, що використовується в локальній мережі, займаються місцеві, окружні та національні урядові органи та установи.
Для вирішення проблеми сумісності Міжнародна організація по стандартизації (International Organization for Standardization, ISO) досліджувала існуючі схеми мереж. В результаті дослідження була визнана необхідність у створенні еталонної моделі мережі, яка змогла б допомогти постачальникам створювати сумісні мережі. І в 1984 році ISO випустила в світ еталонну модель взаємодії відкритих систем (OSI).
Еталонна модель OS1 швидко стала основною архітектурної моделлю взаємодії між комп'ютерами. Незважаючи на те, що були розроблені і інші архітектурні моделі, більшість постачальників мереж, бажаючи сказати користувачам, що їхні продукти сумісні і здатні працювати з різними виробленими в світі мережевими технологіями, посилаються на їх відповідність еталонної моделі OSI.
Вимоги до сучасних обчислювальних мереж
Головна функція мережі - це забезпечення користувачів потенційною можливістю доступу до розподілених ресурсів всіх комп’ютерів, об’єднаних у мережу.
Всі вимоги пов’язані з виконанням цієї основної задачі.