УП ВСС

Всетях с коммутацией сообщений создание отдельного физического канала между узлами вычислительной сети необязательно. В этом случае формируется виртуальный канал, состоящий из различных физических участков, а передача сообщения ведется по свободному в данный момент участку сети. Принципиальным моментом в сетях с коммутацией сообщений является неделимость сообщения, под которым понимается некоторая законченная порция информации (фраза, документ, изображение, файл и т.д.).

Использование сетей с коммутацией сообщений оправдано в тех случая, когда сообщения имеют небольшой размер. В этом случае их передача происходит без значительных задержек, и все пользователи в равной степени используют ресурсы сети.

Если возникает необходимость передачи больших объемов данных или размеры сообщений, передаваемых по сети имеют большой разброс, применение сетей с коммутацией сообщений неэффективно. Легко можно спрогнозировать ситуацию, когда один пользователь, передающий большой объем информации на длительное время занимает канал связи, а другой пользователь, которому необходимо отправить небольшое сообщение, длительное время будет ожидать освобождения канала связи.

Для преодоления этого недостатка современные вычислительные сети реализуются как сети с коммутацией пакетов.

Всетях с коммутацией пакетов сообщение также передается по виртуальному каналу, но предварительно разделяется на пакеты, при этом канал передачи данных занят только на время передачи пакета и по ее завершении освобождается для передачи других пакетов.

Сети с коммутацией пакетов обладают рядом существенных преимуществ:

– во-первых, повышается скорость передачи данных в сетях сложной конфигурации за счет того, что возможна параллельная передача пакетов одного сообщения по разным участкам сети (рис. 1.2);

– во-вторых, при появлении ошибки требуется повторная передача короткого пакета, а не всего длинного сообщения;

– в-третьих, возможность ограничения размера пакетов позволяет использовать меньший объем буферной памяти в промежуточных узлах на маршрутах передачи данных в сети.

11

Всетях с коммутацией пакетов возможны два режима ра-

боты:

– установление виртуального соединения;

– передача дейтаграмм.

Врежиме виртуального соединения принимающий узел подтверждает прием каждого пакета. В случае, если один пакет не получен или передан неправильно, осуществляется его повторная передача. На время передачи сообщения между узлами коммутируется виртуальный канал (рис. 1.2.).

Врежиме передачи дейтаграмм принимающий узел подтверждает (если это предусмотрено) получение сообщения в целом. При передаче дейтаграмм виртуальное соединение не устанавливается.

Рис. 1.2. Модель виртуального канала передачи данных

По территориальной удаленности узлов вычислительные сети делятся на локальные и территориально-распределенные.

Локальная вычислительная сеть (Local area network, LAN) объединяет по высокоскоростным линиям связи вычислительные машины, расположенные в пределах небольшой (ограниченной) территории, например, учебный класс, офис фирмы или здание (группа зданий) предприятия.

Территориально-распределенная вычислительная сеть (Wide area network, WAN) – это сеть, связывающая гео-

графически (территориально) удаленные друг от друга вычислительные машины и сетевые сегменты, в том числе и отдель-

12

ные локальные сети. Подобная вычислительная сеть используется для информационного обмена в общем случае в пределах всей планеты, для этого используются как коммутируемые, так и выделенные линии, или специальные каналы связи.

Территориально-распределенные вычислительные сети в зависимости от размеров и решаемых задач делятся на несколько подвидов.

Корпоративная вычислительная сеть – это вычисли-

тельная сеть, объединяющая локальные сети отдельного предприятия (как правило, очень большого), кроме этого, к данному виду сетей можно отнести и специализированные (используемые для выполнения типовых операций) территориальнораспределенные вычислительные сети, например, сети продажи билетов, банковские сети платежей и др.

Городская вычислительная сеть (Metropolitan area network MAN) – это сеть большего размера, чем локальная сеть, которая обычно покрывает область одного города (от нескольких десятков до сотни километров). Рассмотрение городских сетей как отдельного подвида территориально распределенных вычислительных сетей во многом определяется тем, что один из подкомитетов IEEE 802, а именно, IEEE 802.6 отдельно занимается разработкой стандартов для этого вида сетей.

Вместе с тем на практике чаще используется понятие региональной вычислительной сети, под определение которой попадает любая городская сеть.

Региональная вычислительная сеть – это сеть, объеди-

няющая вычислительные машины, расположенные на значительных расстояниях друг от друга, например, в пределах города, области, региона, отдельных стран и даже нескольких стран одновременно (Европейские сети, Азиатские сети и др.). Региональные сети формируются путем объединения как отдельных узлов, так и разрозненных локальных сетей в пределах рассматриваемых территорий.

Следующими по масштабам и размерам являются глобальные вычислительные сети.

Глобальная вычислительная сеть (Global area network GAN) – объединяет вычислительные машины, расположенные в разных странах и на разных континентах в пределах всей планеты. Характерной чертой глобальной сети является отсутствие единого управляющего (администрирующего) центра. Классическим примером такой сети является Internet.

13

Современные территориально-распределенные вычислительные сети образуются в результате межсетевого объединения сетей нижестоящих уровней. Например, объединение локальных сетей в пределах региона образует региональную сеть. В свою очередь межсетевое объединение региональных сетей образует глобальные сети.

Интересной особенностью современных сетевых технологий является архитектурная близость региональных и глобальных вычислительных сетей. Помимо этого региональные и глобальные сети используют одни и те же протоколы передачи данных, что существенно упрощает и унифицирует их администрирование.

С появлением корпоративных сетей типа Интранет понятия локальной и региональной сетей стало частично перекрываться. Для пользователя Интранет все узлы такой сети являются локальными, хотя и могут отстоять на сотни или даже тысячи километров друг от друга.

Таким образом, можно отметить, что в основе современных вычислительных сетей лежат локальные вычислительные сети. В дальнейшем при рассмотрении вопросов организации передачи данных и адресации данный вывод будет дополнительно подтверждаться.

Локальные вычислительные сети на базе персональных компьютеров получили широкое распространение из-за небольшой сложности и невысокой стоимости. Они имеют модульную организацию.

Рассмотрим основные компоненты локальных вычислительных сетей.

Серверы – это аппаратно-программные комплексы (как правило, высокопроизводительные вычислительные машины), которые управляют распределением сетевых ресурсов общего доступа.

Рабочие станции – это вычислительные машины (персональные компьютеры), посредством которых осуществляющие доступ к сетевым ресурсам, предоставляемым сервером.

Физическая среда передачи данных (линии связи) – это физические линии связи (проводные или беспроводные), по которым происходит обмен данными между узлами вычислительной сети.

Промежуточные устройства – это дополнительные уст-

ройства, которые обеспечивают объединение узлов посредст-

14

вом линий связи в единое физическое соединение. Виды и функции промежуточных устройств как локальных, так и терри- ториально-распределенных вычислительных сетей будут рассмотрены далее.

Вобщем случае в зависимости от функций, выполняемых узлами вычислительной сети, локальные сети подразделяются на три типа:

– одноранговые сети;

– сети на основе сервера;

– комбинированные сети.

Различия между этими типами локальных сетей имеют принципиальное значение, т.к. определяют разные возможности этих сетей.

Водноранговых локальных сетях все вычислительные машины выполняют одинаковые функции, например, использу-

ются только для обмена данными. Каждый узел одноранговой сети функционирует и как клиент, и как сервер1, т.е. нет отдельного компьютера, ответственного за администрирование всей сети. Пользователи самостоятельно определяют, к каким данным и аппаратным ресурсам предоставить доступ. В таких сетях вычислительные машины, как правило, имеют одинаковую конфигурацию и производительность, соединены друг с другом

иобмениваются информацией самостоятельно.

На базе одноранговых сетей эффективно могут функционировать рабочие группы2 пользователей, поэтому количество узлов в такой сети, как правило, не превышает десятка.

Всетях на основе сервера (сеть с выделенным сервером) один из узлов – сервер, выполняет дополнительные функции (в отличие от остальных узлов) по распределению ресурсов сети, например, предоставление услуг по печати документов (сервер печати), хранению файлов (файловый сервер), обработке данных и возращению результатов выполнения запросившему узлу и т.д.

Всетях на основе сервера рабочие станции обращаются на сервер с запросом на доступ к требуемому ресурсу. В соответствии с алгоритмом работы сети сервер предоставляет или не предоставляет запросившему узлу доступ к требуемому ре-

1Под сервером в данном случае понимается серверная часть сетевой операционной системы, принимающая и обрабатывающая запросы других узлов вычислительной сети. Клиентсерверная архитектура сетевой операционной системы рассматривается в разделе 4.

2Рабочая группа – небольшой коллектив пользователей, работающий над одним проектом.

15

сурсу. Допустим, что в локальной сети один из узлов выполняет функции файлового сервера. При обращении пользователя с рабочей станции к документам (файлам), хранящимся на файловом сервере, последний проверяет права доступа данного пользователя и узла к этим ресурсам. В случае если пользователь имеет право доступа к соответствующим документам, то соответственно сервер предоставит доступ. В противном случае сервер выдаст сообщение об ошибке или отсутствии прав доступа.

С учетом этого, очевидно, что вычислительная машина, используемая как сервер, в зависимости от выполняемых функций должна иметь соответствующую производительность и аппаратную конфигурацию.

Понятие сервера является одним из ключевых понятий глобальной сети Internet. Особенности и виды серверов сети Internet будут рассмотрены в последующих разделах.

Рассмотрим основные аспекты преимущества сетей на основе сервера.

Разделение ресурсов. Сервер спроектирован так, чтобы предоставить доступ к общим данным и аппаратным средствам, обеспечивая при этом высокую производительность и защиту ресурсов. Администрирование и управление доступом к данным осуществляется централизованно.

Защита. Это одна из основных причин выбора локальной вычислительной сети на основе сервера. В этом случае задачу обеспечения информационной безопасности будет решать один администратор, который формирует политику безопасности и реализует ее в отношении каждого пользователя сети. Если в одноранговых сетях возможна защита только на уровне ресурсов, то в сети на основе сервера основной является защита на уровне пользователя.

Резервное копирование данных. Поскольку важная ин-

формация расположена централизованно, т.е. сосредоточена на одном или нескольких серверах, то нетрудно обеспечить ее регулярное резервное копирование, что повысит надежность ее сохранения.

Аппаратное обеспечение. Так как рабочие станции не выполняют функций сервера, то требования к их аппаратной и программной конфигурации могут быть достаточно простыми и, соответственно, недорогими.

16

Комбинированные сети включают сегменты одноранговых сетей и сетей на основе сервера.

1.3. Топологии вычислительных сетей

Специфика сети оказывает влияние на ее топологию.

Топология сети (физическая) определяет расположение и взаимные физические связи узлов сети.

Существуют три базовые топологии локальных сетей [9]:

–топология «общая шина» или просто «шина»;

–топология «кольцо»;

–топология «звезда».

Топология «шина» (bus) – локальная сеть (рис. 1.3), в которой связь между любыми двумя станциями устанавливается через один общий канал (общая шина) и данные, передаваемые любой станцией, одновременно становятся доступными для всех других станций, подключенных к этой же среде передачи данных (последнее свойство называют широковещательностью).

В локальных вычислительных сетях с «шинной» топологией усиление сигналов не применяется (пассивная топология), поэтому в зависимости от типа сетевого кабеля длина одного сегмента сети составляет от 100 до 500 метров. Для объединения в сеть вычислительных машин, расположенных на больших расстояниях, необходимо использовать сетевые усилители сиг-

налов – репитеры.

Общая шина Терминатор

Рис. 1.3. Топология «шина»

Поскольку «шинная» топология пассивная, то выход из строя одного узла (вычислительной машины) не окажет влияния

17

на работу сети в целом. Нарушение работы сети может быть связано с повреждением общего канала связи.

При передаче сигнала одним узлом он распространяется по сетевому кабелю от одного конца к другому, соответственно, достигнув конца кабеля отражается и распространяется в обратном направлении. Для исключения этого эффекта в сетях с «шинной» топологией на концах сетевого кабеля устанавливаются поглощающие заглушки, часто называемые терминаторами.

Достоинства сетей с топологией «шина» заключаются в низкой стоимости и простоте монтажа (для монтажа сети необходимы только сетевые карты, разъемы и сетевой кабель). Недостатком данной топологии является то, что при обрыве общего канала (шины) нарушится связь между всеми узлами данного сегмента сети. Топология «шина» используется, как правило, для одноранговых вычислительных сетей.

Топология «кольцо» (ring) – локальная сеть (рис. 1.4), в которой все узлы связаны кольцевой линией передачи данных (к каждому узлу подходят только две линии), которая всегда замкнута. Из-за этого сигналы в сети всегда передаются в одном направлении.

В отличие от топологии «шина» топология «кольцо» является активной топологией, т.е. каждый узел принимает сигналы, циркулирующие в сети, анализирует адрес и, если сообщение предназначено другому узлу, передает сигнал дальше по кольцу. Эта особенность кольцевой топологии позволяет создавать локальные сети с узлами, расположенными на больших расстояниях. Вместе с тем активный характер топологии имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что выход из строя одного узла нарушает работу всей сети.

Каждый узел в сети с топологией «кольцо» содержит две сетевые карты, что, соответственно, увеличивает стоимость сети.

18

Рис. 1.4. Топология «кольцо»

Топология «звезда» (star) – локальная сеть (рис. 1.5), в которой все узлы подключены к одному устройству – концентратору (HUB). Локальные сети с топологией «звезда» наиболее надежные, поскольку каждый узел имеет выделенный канал, при этом выход из строя рабочей станции не влияет на работу сети. Работа сети нарушается при неисправности центрального узла – концентратора. Топология «звезда» лучше всего подходит для реализации локальной сети на основе сервера. В этом случае сервер также подключается к концентратору, причем в силу особенностей данной топологии все узлы могут одновременно передавать и принимать информацию. Скорость обработки запросов пользователей, в основном, определяется возможностями сервера.

19

Концентратор

HUB

Рис. 1.5. Топология «звезда»

Основным недостатком топологии «звезда» является высокая стоимость из-за наличия концентратора и большей длины сетевого кабеля.

К рассмотренным базовым топологиям относятся 99% всех локальных сетей. Наиболее распространенные сети Ethernet используют как топологию «шина», так и топологию «звезда». Сети Token Ring и FDDI используют топологию «кольцо». В современных сетевых технологиях известны и используются другие топологии. В первую очередь, следует отметить смешанные топологии, образованные из комбинаций трех базовых топологий.

Например, комбинированная топология «звезда-шина»

(star-bus) – представляет собой локальную вычислительную сеть, в которой несколько групп узлов объединяются концентраторами по топологии «звезда», а далее эти сегменты через концентраторы последовательно соединяются друг с другом, образуя топологию «шина».

Втех случаях, когда необходимо обеспечить максимальную надежность сети, может быть реализована локальная вычислительная сеть с полносвязной топологией, т.е. когда каждый узел имеет выделенный канал для обмена данными напрямую с каждым узлом сети. При такой топологии сети каждый узел должен включать K-1 сетевых карт (интерфейсов), где К соответствует числу узлов сети. Вполне очевидно, что высокая надежность сети сопровождается увеличением расходов на ее создание.

Всовременных вычислительных сетях широко используется понятие логическая топология. Логическая топология в

20