2.8. Лекция 8. Требования к сети. Архитектура сети. Сетевые шаблоны. Критерии выбора технологии

2.8.1. Требования к сети

Специалисты, занимающиеся разработкой вычислительных сетей, и сетевые администраторы всегда стремятся обеспечить выполнение трех основных требований, предъявляемых к сети, а именно:

1. масштабируемость;

2. производительность;

3. управляемость.

Хорошая масштабируемость необходима для того, чтобы без особых усилий можно было менять как число пользователей, работающих в сети, так и приклад­ное программное обеспечение. Высокая производительность сети требуется для нормальной работы большинства современных приложений. И, наконец, сеть должна быть достаточно легко управляемой, чтобы ее можно было перенастраивать для удовлетворения постоянно меняющихся потребностей организации. Эти требования отражают новый этап в развитии сетевых технологий - этап создания высокопроизводительных корпоративных сетей.

Уникальность новых программных средств и технологий усложняет разработку корпоративных сетей. Централизованные ресурсы, новые классы программ, иные принципы их применения, изменение количественных и качественных характеристик информационного потока, увеличение числа одновременно работающих пользователей и повышение мощности вычислительных платформ — все эти факторы необходимо учитывать в их совокупности при разработке сети. Сейчас на рынке имеется большое количество технологических и архитектурных решений, и выбрать из них наиболее подходящее — достаточно сложная задача.

В современных условиях для правильного проектирования сети, ее разработки и обслуживания специалисты должны учитывать следующие вопросы:

1. Изменение организационной структуры. При реализации проекта не сле­дует «разлучать» специалистов по программному обеспечению и сетевых специалистов. При разработке сетей и всей системы в целом нужна единая команда из специалистов разного профиля;

2. Использование новых программных средств. Необходимо знакомиться с новым программным обеспечением еще на ранней стадии разработки сети для того, чтобы можно было своевременно внести необходимые корректи­вы в планирующиеся к использованию средства;

3. Исследование различных решений. Необходимо оценивать различные архитектурные решения и их возможное влияние на работу будущей сети;

4. Проверка сетей. Необходимо проводить тестирование всей сети или ее частей, на ранних стадиях разработки. Для этого можно создать прототип сети, который позволит оценить правильность принятых решений. Так можно предупредить появление разного рода «узких мест» и определить применимость и примерную производительность разных архитектур;

5. Выбор протоколов. Чтобы правильно выбрать конфигурацию сети, нужно оценить возможности различных протоколов. Важно определить, как сете­вые операции, оптимизирующие работу одной программы или пакета про­грамм, могут повлиять на производительность других;

6. Выбор физического расположения. Выбирая место установки серверов, надо, прежде всего, определить местоположение пользователей. Возможно ли их перемещение? Будут ли их компьютеры подключены к одной подсети? Будут ли пользователи иметь доступ к глобальной сети?

7. Вычисление критического времени. Необходимо определить время допустимой реакции каждого приложения и возможные периоды макси­мальной нагрузки. Важно понять, как нештатные ситуации могут повлиять на работоспособность сети, и определить, нужен ли резерв для организации непрерывной работы предприятия;

8. Анализ вариантов. Важно проанализировать различные варианты использования программного обеспечения в сети. Централизованное хранение и обработка информации часто создают дополнительную нагрузку в центре сети, а распределенные вычисления могут потребовать усиления локальных сетей рабочих групп.

На сегодня нет готовой, отлаженной универсальной методики, следуя которой, можно автоматически провести весь комплекс мероприятий по разработке и созданию корпоративной сети. В первую очередь это связано с тем, что не существует двух абсолютно одинаковых организаций. В частности, каждая организация характеризуется уникальным стилем руководства, иерархией, культурой ведения дел. А если учесть, что сеть неизбежно отражает структуру организации, то можно смело сказать — двух одинаковых сетей не существует.

2.8.2.  Архитектура сети

Для того чтобы начинать построение корпоративной сети, необходимо сначала определить ее архитектуру, функциональную и логическую организацию и учесть существующую телекоммуникационную инфраструктуру. Тщательно проработанная архитектура сети помогает оценить возможность применения новых технологий и прикладных программ, служит заделом для будущего роста, определяет набор сетевых технологий, помогает избежать избыточных затрат, отражает связь сетевых компонентов, значительно снижает риск неправильной реализации и т. д. Архитектура сети закладывается в основу технического задания на создаваемую сеть.

Следует отметить, что архитектура сети отличается от проекта сети тем, что она, например, не определяет точную принципиальную схему сети и не регламентирует размещение сетевых компонентов. Архитектура сети, например, опре­деляет, будут ли некоторые части сети построены на базе Frame Relay, ATM, ISDN или других технологий. Сетевой проект должен содержать конкретные указания и оценки параметров, например, требуемое значение пропускной способности, реальную ширину полосы пропускания, точное расположение каналов связи и т. д.

В архитектуре сети выделяют три аспекта, три логические составляющие: принципы построения, сетевые шаблоны и технические позиции.

Принципы построения используются при планировании сети и принятии решений. Принципы — это набор простых инструкций, которые с достаточной степенью детализации описывают все вопросы построения и эксплуатации развертываемой сети в течение длительного периода времени. Как правило, в основе формирования принципов лежат корпоративные цели и базовые методы ведения бизнеса организации. Принципы обеспечивают первичную связь между корпоративной стратегией развития и сетевыми технологиями. Они служат для разработки технических позиций и сетевых шаблонов. При разработке технического задания на сеть принципы построения сетевой архитектуры излагаются в разделе, определяющем общие цели сети.

Техническая позиция может рассматриваться в качестве целевого описания, определяющего выбор между конкурирующими альтернативными сетевыми технологиями. Техническая позиция уточняет параметры выбранной технологии и дает описание отдельно взятого устройства, метода, протокола, предоставляемого сервиса и т. д. Например, при выборе технологии локальной сети необходимо принимать во внимание скорость, стоимость, качество обслуживания и другие требования. Разработка технических позиций требует глубокого знания сетевых технологий и внимательного рассмотрения требований организации. Количество технических позиций определяется заданной степенью детализации, слож­ностью сети и масштабами организации.

Архитектура сети может быть описана следующими техническими позициями:

1. Сетевые транспортные протоколы. Какие транспортные протоколы должны использоваться для передачи информации?

2. Маршрутизация в сети. Какой протокол маршрутизации должен исполь­зоваться между маршрутизаторами и коммутаторами ATM?

3. Качество обслуживания. За счет чего будет достигаться возможность вы­бора качества сервиса?

4. Адресация в сетях IP и домены адресации. Какая адресная схема должна использоваться для сети, включая зарегистрированные адреса, подсети, маски подсети, переадресацию и т. д.?

5. Коммутация в локальных сетях. Какая стратегия коммутации должна быть использована в локальных сетях?

6. Объединение коммутации и маршрутизации. Где и как должны исполь­зоваться коммутация и маршрутизация; как они должны объединяться?

7. Организация городской сети. Каким образом должны связываться отде­ления предприятия, находящиеся, скажем, в одном городе?

8. Организация глобальной сети. Каким образом отделения предприятия должны связываться по глобальной сети?

9. Служба удаленного доступа. Как пользователи удаленных отделений получают доступ к сети предприятия?

Сетевые шаблоны — это набор моделей сетевых структур, отражающих связь между компонентами сети. Например, для определенной архитектуры сети соз­дается набор шаблонов, чтобы «проявить» топологию сети крупного отделения или глобальной сети, или показать распределение протоколов по уровням. Сете­вые шаблоны иллюстрируют сетевую инфраструктуру, которая описывается полным набором технических позиций. Более того, в хорошо продуманной се­тевой архитектуре сетевые шаблоны по степени детализации могут максимально приближаться по своему содержанию к техническим позициям. По сути дела, сетевые шаблоны - это описание функциональной схемы участка сети, имеющие конкретные границы.

2.8.3. Сетевые шаблоны

2.8.3.1. Сетевой шаблон глобальной сети

Глобальные сети (WAN) — это системы связи с широкополосными каналами, предназначенные для передачи данных и обеспечивающие связь между абонентами, разделенными друг от друга сотнями километров. Огромность протяженность сети отличает WAN от городских сетей, которые поддерживают связь на расстоянии до 100 км. Глобальные сети WAN способны переносить цифровые данные, голос, данные локальных сетей, электронную почту, видео и т. д. Стек протоколов TCP/IP широко используется и в глобальных сетях. Это означает, что сеть WAN должна эффективно обрабатывать трафик TCP/IP.

Главное требование при транспортировке данных — это способность гарантировать качество обслуживания (Quality of Service, QoS). QoS означает, что приложениям будут предоставлены ресурсы, необходимые для их приемлемой работы. При этом услуги глобальной сети должны быть доступными по стоимос­ти, достаточно эффективными и надежными.

Технологии, которые используются в глобальных сетях, отличаются от тех, что применяются в локальных и городских сетях. В частности, эти сети отлича­ются по скорости. Локальные сети используют скорости до тысяч мегабит, городские сети работают на скоростях от сотен до тысяч мегабит. Сети WAN обычно намного медленнее.

Другое различие обусловлено стоимостью обслуживания. Локальные сети, по существу, «свободны» в ценовой политике. Если требуется большая полоса пропускания, организация, затратив малые средства, может ее увеличить. Такое расширение практически не отразится на стоимости услуг. Напротив, сети WAN из-за жестких ограничений полосы пропускания не могут снизить стоимость услуг за счет привлечения новых пользователей. Наоборот, новые пользователи только причинят массу неудобств старым, заняв часть полосы пропускания. Рас­ширение полосы глобальных сетей связано с большими затратами.

Глобальные сети можно строить с использованием различных технологий. Сейчас используются три основные:

1. ATM;

2. Маршрутизация протокола IP;

3. Frame Relay.

Для выбора технологии необходимо ответить на следующие вопросы:

1. Обеспечивает ли технология адекватное качество обслуживания?

2. Может ли она гарантировать качество обслуживания?

3. Насколько расширяемой получится сеть?

4. Допускается ли выбор топологии сети? 5. Рентабельны ли услуги, предоставляемые сетью? 6. Насколько будет эффективна система управления?

Ответы на эти вопросы определяют выбор. Но, в принципе, на разных участках сети могут использоваться разные технологии. Например, если отдельные участки требуют поддержки мультимедийного трафика в реальном времени или скорости в 45 Мбит/с, то в них устанавливают ATM. Если же участок сети требует диалоговой обработки запросов, что не допускает существенных задержек, то необходимо использовать Frame Relay, если такие услуги доступны в данной географической области (иначе придется прибегнуть к Internet).

Так, большое предприятие может соединяться с сетью через ATM, в то время как филиалы связываются с той же самой сетью через Frame Relay.

2.8.3.2. Сетевой шаблон городской сети

Городские сети строятся на различной сетевой базе. Поэтому выделяются три шаблона построения городских сетей.

2.8.3.2.1. Шаблон городской сети с технологией SONET/SDH

Описываемый логический шаблон применяется для сети MAN со следую­щими характеристиками:

1. Требуется поддержка многих типов трафика (например, голос, видео, дан­ные). При этом интеграция услуг не обязательна.

2. Между отдельными участками корпоративной сети может потребоваться вполне определенная полоса пропускания.

3. Приложения не конкурируют между собой за полосу пропускания.

4.  Требуется высокая утилизация транспортного механизма. Участки корпо­ративной сети, связанные сетью MAN, постоянно связаны друг с другом, передавая большой объем трафика в течение рабочего дня.

Этот шаблон, как правило применяется для построения части сети MAN, которая связывает участки корпоративной сети, имеющие магистральные сети и требующие высокоскоростной связи. Такие участки требуют выделенной полосы пропускания для передачи аудио- и видео-конференции. Эти участки обычно расположены на небольших расстояниях друг or друга (до 100 км). Предполагают что им недостаточна скорость, которую способна обеспечить сеть WAN[26-27].

Сеть MAN включает в свой состав следующие компоненты:

1. Сеть SONET/SDH. Используется для связи между участками сети MAN. Связь может быть обеспечена либо за счет провайдера сети общего поль­зования, либо за счет создания частной структуры мультиплексоров SONET/ SDH и оптоволоконных каналов. Сети SONET/SDH общего пользования широко доступны и поддерживают скорости ОС-3 (155 Мбит/с) и ОС-12 (622 Мбит/с). Сеть SONET/SDH поддерживает множество типов трафика за счет использования технологии мультиплексирования. Сеть SONET/ SDH может передавать большие объемы данных. Коммутатор ATM может реализовывать передачу ячеек ATM поверх SONET/SDH. Маршрутиза­тор доступа может передавать трафик IP по сети SONET/SDH.

2. Устройства доступа к сети MAN. В центральном офисе выбор устройств доступа зависит от набора поддерживаемых услуг, количества подключе­ний и требований к надежности. Для связи по «чистой» сети SONET или SDH необходимо использовать мультиплексоры SONET/SDH. Для того чтобы подключить сеть передачи данных к SONET/SDH, необходимо за­действовать маршрутизатор.

2.8.3.2.2. Шаблон городской сети с передачей ATM поверх SONIT/SDH

Этот шаблон применяется для проектирования и построения сети MAN, если пользователю этой сети необходимы поддержка гарантированного качества обслуживания и быстрая связь.

Описываемый шаблон, как правило, применяется для построения сети MAN, которая должна связывать участки, имеющие магистраль на коммутаторах ATM со встроенной поддержкой технологии MPOA и требующие прозрачной взаимосвязи.

Такая сеть MAN включает:

1. Службу передачи ячеек ATM по сети SONET/SDH. Услуги сети SONET/SDH, поддерживающей передачу ячеек ATM, могут быть доставлены провайдером или собственной частной сетью на базе комму­таторов ATM, мультиплексоров SONET/SDH и оптоволоконных ка­белей.

2. Устройство доступа к сети MAN. Как правило, это коммутаторы ATM. Они должны иметь модуль прямого подключения к сети SONET/SDH и эффективно использовать полосу пропускания сети MAN. Этот же комму­татор может использоваться для связи с сетью WAN. Состав оборудова­ния в центральном офисе зависит от конкретных условий.

2.8.3.2.3. Шаблон городской сети, как расширенной локальной сети

Этот логический шаблон применяется при построении сети MAN в крупных городских зонах. Отличительные черты этого шаблона:

1. По сети MAN передаются только данные;

2. Не требуется передача голоса или видео;

3. Не требуется гарантирования качества обслуживания.

Такую модель применяют, когда скорости WAN недостаточно, а скорость, обеспечиваемая SONET/SDH, избыточна.

Сеть MAN, построенная по данному шаблону, включает:

1. Механизм прозрачной интеграции с локальными сетями. Обеспечивается либо провайдером коммуникационных услуг, либо частной сетью на опто­волоконном кабеле с интеллектуальными концентраторами или коммута­торами. Требуется одномодовый оптоволоконный кабель, так как сети MAN охватывают значительно большее расстояние, чем то, которое под­держивает многомодовый кабель.

2. Устройство доступа к сети MAN. На стыке локальной и городской сети ставится маршрутизатор. Состав оборудования в центральном офисе зави­сит от конкретных условий.

2.8.3.3. Сетевой шаблон центрального офиса

Описываемый шаблон может быть использован для участка корпоративной сети со следующими характеристиками:

1. Размер, участка таков, что требуется разбиение сети на несколько сегмен­тов Ethernet, связанных между собой коммутаторами;

2. Магистральная сеть участка реализована на коммутаторах ATM. Маршру­тизация в магистрали ATM обеспечивается по технологии МРОА (Multi Protocol Over ATM);

3. Предполагается, что центральный офис принимает и обрабатывает дан­ные, получаемые из сетей WAN и MAN. Центральный офис также рас­пределяет трафик между отдаленными участками корпоративной сети. Поэтому в его состав включают WAN- и MAN-магистрали с коммута­цией.

Этот шаблон может быть использован для центрального офиса или административного центра предприятия. Такие участки сети часто являются топологическими центрами коммутации или первичными узлами коммутации для региональных сетей связи предприятия. Они характеризуются большим числом рабочих станций и серверов различного назначения. Здесь, например, могут рас­полагаться центры обработки данных. Такой участок может занимать площадь в пределах одного или нескольких зданий. Для соединения зданий использует­ся оптоволоконный кабель. Вся кабельная система находится в собственности предприятия.

2.8.3.4. Критерии выбора технологии

Все рассмотренные технологии могут использоваться для подключения рабочих станций и серверов к сети. Основное различие между ними заключается в цене и сложности реализации[28]. Для правильного выбора технологии следует проанализировать конкретные требования. Можно привести следующие критерии:

1. Популярность технологии в обозримом будущем. От этого зависит расширяемость сети и возможность обновления устройств. Примером тупиковой ветки развития является ARCNet, для которой сегодня достаточно трудно найти оборудование;

2. Качество обслуживания (QoS). В настоящее время прослеживается четкая тенденция развития мультимедийных приложений, предъявляющих очень жесткие требования к сети. Возможность выбора качества обслуживания позволяет разделить пользователей по приоритету обслуживания, что особенно важно в больших структурированных организациях. Все большую силу набирает так называемое сервисное соглашение SLA (Service Level Agreement), которое определяет перечень предоставляемых услуг с учетом их важности;

3. Масштабируемость. Сеть должна развиваться — сейчас это аксиома. Сеть отражает бизнес, если он меняется - под него должна подстраиваться сеть. При этом опыт показывает, что сетевые приложения, с которыми работают пользователи, имеют одностороннюю тенденцию развития — они все более усложняются и предъявляют повышенные требования к сети. Если сеть не способна гибко реагировать на эти изменения, органи­зацию. Непременно ждут большие затраты на модернизацию. Очень часто эта модернизация должна быть проведена в сжатые сроки, за 2-3 года.

А хорошо продуманная масштабируемая сеть способна работать без коренной модернизации гораздо дольше.

4. Стоимость. Следует учитывать соотношение цена/ производительность. Трудно ожидать высоких скоростей от дешевых технологий. С другой стороны, бессмысленно использовать сложнейшие технологии для простейших задач. Следует правильно комбинировать различные технологии для достижения максимальной эффективности;

5. Поддержка существующей кабельной системы. При выборе технологии следует учитывать тип кабельной системы и требуемые расстояния;

6. Совместимость с уже установленным оборудованием. Значительной ми­нимизации расходов можно достичь, если в новую систему удается включить уже установленное оборудование.

Учитывая вышеприведенные критерии, можно привести следующие рекомендации. Если в организации магистраль построена с использованием технологии ATM или в ближайшем будущем планируется это сделать, а серверы должны задерживать мультимедийные приложения, наилучшим решением будет прямое подключение этих серверов к магистрали ATM. Альтернативным решением может быть использование разновидностей Ethernet. Технологию FDDI здесь рассматривать нецелесообразно из-за ее высокой стоимости и недостаточно широкого ассортимента продукции на рынке. Применительно к данному случаю ATM в полной мере предоставит возможность выбора качества обслуживания для каждого виртуального соединения пользователя с сервером. А это как раз и является определяющим (например, для сервера с обработкой голосового трафика, заменяющего традиционные офисные телефонные станции за счет передачи голоса через локальную сеть).

Что касается магистрали, то если в ней необходимо гарантирование качества обслуживания, выбор нужно остановить на технологии ATM. В других случаях можно рекомендовать технологии Fast/Gigabit Ethernet, как более дешевые и простые в установке и использовании[29].

ATM является на сегодняшний день практически единственной технологией, подходящей для построения магистрали с резервными каналами связи, которые обеспечивают оптимальное распределение нагрузки и быстрое нахождение альтернативных путей в случае выхода из строя одного из каналов. Самые быстрые технологии Ethernet могут не подойти для построения такой магистрали из-за того, что они используют протокол Spanning Tree.

Основными конкурентами ATM для построения локальной сети являются коммутируемый Ethernet/Fast Ethernet, обычный Fast Ethernet, а также Gigabit Ethernet. По мнению большинства экспертов, нецелесообразно подводить кана­лы ATM к каждому рабочему месту, за исключением тех случаев, когда при­меняются очень специфические приложения.