ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СЕТИ 1 Топология сети n n

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СЕТИ 1

Топология сети n n Как только компьютеров становится больше 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. 2

Топология физических связей n От выбора топологии связей зависят многие характеристики сети. Например, наличие между узлами нескольких путей повышает надежность сети и делает возможной балансировку загрузки отдельных каналов. Экономические соображения часто приводят к выбору топологий, для которых характерна минимальная суммарная длина линий связи. n Виды топологий: q Полносвязная топология q Ячеистая топология q Общая шина q Звезда q Иерархическая звезда q Кольцо q Смешанная топология 3

Полносвязная сеть n Сеть, в которой имеется ветвь между любыми двумя узлами. n Вариант громоздкий и неэффективный: каждый компьютер в сети должен иметь большое количество коммуникационных портов, достаточное для связи с каждым из остальных компьютеров сети; для каждой пары компьютеров должна быть выделена отдельная электрическая линия связи. n Применяется редко и только в глобальных сетях при небольшом количестве компьютеров Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 4

Ячеистая сеть В сети с ячеистой топологией непосредственно связываются только те компьютеры, между которыми происходит интенсивный обмен данными, а для обмена данными между компьютерами, не соединенными прямыми связями, используются транзитные передачи через промежуточные узлы. n Сеть, которая содержит по крайней мере два узла, не имеющих прямого соединения с двумя или более узлами (получается из полносвязной путем удаления связей с наименьшим трафиком). Примечание: Сетевой трафик — объём информации, передаваемой по n сети за определенный период времени. n Используется в глобальных сетях n Допускает соединение большого количества компьютеров 5

Общая шина n n n Подключение и обмен данными производится через общий канал связи, называемый общей шиной. Преимущества: q Дешевизна q Простота разводки кабеля по помещениям Недостатки: q Низкая надежность: любой дефект кабеля или какого-нибудь из многочисленных разъемов полностью парализует всю сеть. q Невысокая производительность, так как в каждый момент времени только один компьютер может передавать данные в сеть. Поэтому пропускная способность канала связи всегда делится здесь между всеми узлами сети. q Низкий уровень безопасности 6

Звездообразная сеть n Топология "звезда" образуется в том случае, когда каждый компьютер с помощью отдельного кабеля подключается к общему центральному устройству, называемому концентратором. В функции концентратора входит направление передаваемой компьютером информации одному или всем остальным компьютерам сети. 7

Преимущества и недостатки топологии звезда Главное преимущество этой топологии перед общей шиной существенно большая надежность. Любые неприятности с кабелем касаются лишь того компьютера, к которому этот кабель присоединен, и только неисправность концентратора может вывести из строя всю сеть. Концентратор может играть роль интеллектуального фильтра информации, поступающей от узлов в сеть, и при необходимости блокировать запрещенные администратором передачи n К недостаткам топологии типа "звезда" относится: n более высокая стоимость сетевого оборудования, связанная с необходимостью приобретения специализированного центрального устройства. n возможности наращивания количества узлов в сети ограничиваются количеством портов концентратора.

Кольцевая сеть n n В сетях с кольцевой конфигурацией данные передаются по кольцу от одного компьютера к другому. Если компьютер распознает данные как «свои» , то он копирует их себе во внутренний буфер. Достоинство "кольца" в том, что оно по своей природе обладает свойством резервирования связей. Любая пара узлов соединена здесь двумя путями — по часовой стрелке и против. "Кольцо представляет собой очень удобную конфигурацию для организации обратной связи - данные, сделав полный оборот, возвращаются к узлу-источнику. Поэтому этот узел может контролировать процесс доставки данных адресату. 9

Смешанная топология В то время как небольшие сети, как правило, имеют типовую топологию, 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. На практике часто строят сети с использованием нескольких концентраторов, иерархически соединенных между собой связями типа "звезда» . Получаемую в результате структуру называют также деревом. В настоящее время дерево является самым распространенным типом топологии связей, как в локальных, так и в глобальных сетях. Сети со смешанной топологией Сети с древовидной топологией 10

Совместное использование линий связи n В вычислительных сетях используют как индивидуальные линии связи между компьютерами, так и разделяемые, когда одна линия связи попеременно используется несколькими компьютерами. n Только в сети с полносвязной топологией для соединения каждой пары компьютеров имеется отдельная индивидуальная линия связи. n Классическим примером сети с разделяемыми линиями связи являются сети с топологией «общая шина» , в которых один кабель совместно используется всеми компьютерами сети. 11

Принципы разделения среды n Метод случайного доступа Управление доступом к разделяемым линиям связи децентрализовано ¨ Функцию управления выполняют сетевые карты или адаптеры ¨ Технология Ethernet ¨ n Метод детерминированного доступа Распределенный подход - нет узла, определяющего очередность владения разделяемой линией связи ¨ Централизованный подход - есть выделенный центр управления доступом ¨ Технология Token Ring ¨

Метод случайного доступа 1. 2. 3. 4. Компьютер может передавать данные по сети, только если сеть свободна, то есть если никакой другой компьютер в данный момент не занимается обменом и электрические (или оптические) сигналы в среде отсутствуют. После того как компьютер убеждается, что среда свободна, он начинает передачу, «захватывая» среду. Время монопольного использования разделяемой среды одним узлом ограничивается временем передачи одного кадра (пакета). При попадании кадра в разделяемую среду все сетевые адаптеры одновременно начинают принимать этот кадр. Каждый из них анализирует адрес назначения, располагающийся в одном из начальных полей кадра. Если этот адрес совпадает с их собственным адресом, кадр помещается во внутренний буфер сетевого адаптера. Таким образом компьютер-адресат получает предназначенные ему данные. 13

Метод случайного доступа CSMA/CD n n n Может возникать ситуация, когда одновременно два или более компьютеров решают, что сеть свободна, и начинают передавать информацию. Такая ситуация, называемая коллизией, препятствует правильной передаче данных по сети. Во всех сетевых технологиях, построенных на разделяемых средах, предусмотрен алгоритм обнаружения и корректной обработки коллизий. После обнаружения коллизии сетевые адаптеры, которые пытались передать свои кадры, прекращают передачу и после паузы случайной длительности пытаются снова получить доступ к среде, чтобы передать, кадр, вызвавший коллизию. CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection – множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий), используемый в сети Ethernet. 14

Метод детерминированного доступа n n Этот метод основан на использовании кадра специального формата, который обычно называют маркером или токеном доступа. Компьютер имеет право пользоваться разделяемой средой только тогда, когда он владеет токеном. Время владения токеном ограничено, так что после истечения этого срока компьютер обязан передать токен другому компьютеру. Правило, определяющее порядок передачи токена, должно гарантировать каждому компьютеру доступ к разделяемой среде в течение некоторого фиксированного времени. 15

Маркерный метод управления обменом (СМ—свободный маркер, ЗМ — занятый маркер, МП— занятый маркер с подтверждением, ПД— пакет данных)

Структуризация n n В сетях с небольшим (10– 30) количеством компьютеров чаще всего используется одна из типовых топологий — "общая шина", "кольцо", "звезда" или полносвязная сеть. Все перечисленные топологии обладают свойством однородности, то есть все компьютеры в такой сети имеют одинаковые права в отношении доступа к передающей среде (за исключением центрального компьютера при соединении "звезда"). Однако при построении больших сетей однородная структура связей превращается из преимущества в недостаток. В таких сетях использование типовых структур порождает различные ограничения, важнейшими из которых являются: q ограничения на длину связи между узлами; q ограничения на количество узлов в сети; q ограничения на интенсивность трафика, который генерируют узлы сети. 17

Структуризация Например, технология Ethernet на тонком коаксиальном кабеле позволяет использовать кабель длиной не более 185 метров, к которому можно подключить не более 30 компьютеров. Однако, если компьютеры интенсивно обмениваются информацией между собой, иногда приходится снижать число подключенных к кабелю компьютеров до 20, а то и до 10, чтобы каждому компьютеру доставалась приемлемая доля общей пропускной способности сети.

Структуризация сети Для снятия ограничений используются особые методы структуризации сети и специальное коммуникационное оборудование — повторители, концентраторы, мосты, коммутаторы, маршрутизаторы. n Для физической структуризации - используются повторители и концентраторы q q Повторитель - устройство для физического соединения различных сегментов кабеля с целью увеличения общей длины сети Концентратор - устройство множественного доступа, выполняющее роль центральной точки соединения в топологии "физическая звезда". Это повторитель с несколькими портами. 19

Физическая структуризация сетей q. Повторитель (repeater) — используется для физического соединения различных сегментов кабеля локальной сети с целью увеличения общей длины сети. q. Повторитель передает сигналы, приходящие из одного сегмента сети, в другие ее сегменты q. Повторитель позволяет преодолеть ограничения на длину линий связи за счет улучшения качества передаваемого сигнала — восстановления его мощности и амплитуды, улучшения фронтов и т. п. 20

Физическая структуризация сетей q Повторитель, который имеет несколько портов и соединяет несколько физических сегментов, часто называют концентратором (concentrator) или хабом (hub). Эти названия (hub — основа, центр деятельности) отражают тот факт, что в данном устройстве сосредоточены все связи между сегментами сети. q Концентраторы повторяют сигналы, пришедшие с одного из их портов, на других своих портах. q Концентратор Ethernet повторяет входные сигналы на всех своих портах, кроме того, с которого сигналы поступают 21

физическая и логическая топологии сети n Во многих случаях физическая и логическая топологии сети совпадают. Например, сеть, представленная на рисунке, имеет физическую топологию "кольцо". Компьютеры такой сети получают доступ к кабелям кольца за счет передачи другу специального кадра — маркера, причем этот маркер также передается последовательно от компьютера к компьютеру в том же порядке, в котором компьютеры образуют физическое кольцо, то есть компьютер A передает маркер компьютеру B, компьютер B — компьютеру С и т. д. 22

Физическая и логическая топологии сети Сеть, показанная на рисунке демонстрирует пример несовпадения физической и логической топологии. Физически компьютеры соединены по топологии "общая шина". Доступ же к шине происходит не по алгоритму случайного доступа, применяемому в технологии Ethernet, а путем передачи маркера в кольцевом порядке: от компьютера A — компьютеру B, от компьютера B — компьютеру С и т. д.

Неоднородность информационных потоков n n n В большой сети естественным образом возникает неоднородность информационных потоков, так как сеть состоит из множества подсетей рабочих групп, отделов и филиалов предприятия. Часто интенсивный обмен данными наблюдается между компьютерами, принадлежащими к одной подсети, и только небольшая часть обращений происходит к ресурсам компьютеров, находящихся вне локальных рабочих групп. Специалистами был сформулирован эмпирический закон « 80/20» , в соответствии с которым в каждой подсети 80% трафика является внутренним только 20 % - внешним 24

Неоднородность информационных потоков Сейчас характер нагрузки сетей во многом изменился, широко внедряется технология Intranet, на многих предприятиях имеются централизованные хранилища корпоративных данных, активно используемые всеми сотрудниками предприятия. Все это не могло не повлиять на распределение информационных потоков. И теперь не редки ситуации, когда интенсивность внешних обращений выше интенсивности обмена между «соседними» машинами. Но независимо от того, в какой пропорции распределяются внешний и внутренний трафик, для повышения эффективности работы сети неоднородность информационных потоков необходимо учитывать.

Проблему неоднородности информационных потоков иллюстрирует рисунок. Здесь показана сеть, построенная с использованием концентраторов. Пусть компьютер А, находящийся в одной подсети с компьютером В, посылает ему данные. Несмотря на разветвленную физическую структуру сети, концентраторы распространяют любой кадр по всем ее сегментам. Поэтому кадр, посылаемый компьютером А компьютеру В, хотя не нужен компьютерам отделов 2 и 3, в соответствии с логикой работы концентраторов поступает на эти сегменты тоже. И до тех пор, пока компьютер В не получит адресованный ему кадр, ни один из компьютеров этой сети не сможет передавать данные. Такая ситуация возникает из-за того, что логическая структура данной сети осталась однородной - она никак не учитывает увеличение интенсивности трафика внутри отдела и предоставляет всем парам компьютеров равные возможности по обмену информацией. Решение проблемы состоит и отказе от идеи единой однородной разделяемой среды.

Логическая структуризация сети n Таким образом, наиболее важной проблемой, не решаемой путем физической структуризации, остается проблема перераспределения передаваемого трафика между различными физическими сегментами сети n Логическая структуризация - процесс разбиения сети на сегменты с локализованным трафиком. n Распространение трафика, предназначенного для компьютеров некоторого сегмента сети, только в пределах этого сегмента, называется локализацией трафика. n Для логической структуризации используются: 1. мосты, 2. коммутаторы, 3. маршрутизаторы и шлюзы 27

Устройство «МОСТ» Мост изолирует трафик одной подсети от трафика другой, повышая общую производительность Мост делит разделяемую среду передачи сети на части (логические сегменты), передавая информацию из одного сегмента в другой только в том случае, если такая передача действительно необходима, то есть если адрес компьютера назначения принадлежит другой подсети. 28

Устройство «Коммутатор» n. Коммутатор switch- это мост нового поколения, который обрабатывает кадры в параллельном режиме. n. Основное отличие коммутатора от моста состоит в том, что он является своего рода коммуникационным мультипроцессором, так каждый его порт оснащен специализированным процессором, который обрабатывает кадры по алгоритму моста независимо от процессоров других портов. За счет этого общая производительность коммутатора обычно намного выше производительности традиционного моста, имеющего один процессорный блок. n. Коммутаторы — это мосты нового поколения, которые обрабатывают кадры в параллельном режиме. 29

Устройство маршрутизатор q. Маршрутизатор также изолирует трафики отдельных частей сети, соединяет сети, созданные с помощью разных технологий (например Ethernet и X. 25). q. Маршрутизаторы образуют логические сегменты, поскольку используют составные числовые адреса. В этих адресах имеется поле номера сети, так что все компьютеры, у которых значение этого поля одинаковое, принадлежат одному сегменту, называемому в данном случае подсетью (subnet). q. Маршрутизаторы могут работать в сети с замкнутыми контурами 30

Устройство шлюз Шлюз объединяет части сети с разными типами системного и прикладного программного обеспечения (преобразование данных. Обычно основной причиной, по которой в сети используют шлюз, является необходимость объединить сети с разными типами системного и прикладного программного обеспечения, а не желание локализовать трафик. Тем не менее шлюз обеспечивает и локализацию трафика в качестве некоторого побочного эффекта.

4 сети, связанные 3 маршрутизаторами 2 маршрута из А в В Распределение оптических линий Главный маршрутизатор, Cisco 7507

Адреса узлов сети n n n Адрес должен уникально идентифицировать компьютер в сети любого масштаба. Адрес должен иметь иерархическую структуру, удобную для построения больших сетей. Адрес должен быть удобен для пользователей сети, а это значит, что он должен иметь символьное представление (например, Servers или www. cisco. coм). Адрес должен иметь по возможности компактное представление, чтобы не перегружать память коммуникационной аппаратуры - сетевых адаптеров, маршрутизаторов и т. п. Схема назначения адресов должна сводить к минимуму ручной труд администратора и вероятность дублирования адресов. 33

Адресация компьютеров в сети Так как все перечисленные требования трудно совместить в рамках какой-либо одной схемы адресации, то на практике обычно используется сразу несколько схем, так что компьютер одновременно имеет несколько адресов-имен. Адреса могут использоваться для идентификации не только отдельных компьютеров, но и их групп (групповые адреса). С помощью групповых адресов данные могут направляться сразу нескольким узлам. Во многих технологиях компьютерных сетей поддерживаются так называемые широковещательные адреса. Данные, направленные по такому адресу, должны быть доставлены всем узлам сети. 172. 16. 100. 254 www. abc. ru 00 -4 f-56 -77 -88 -9 e 34

Адресация компьютеров в сети n Аппаратные адреса предназначены для сети небольшого или среднего размера, поэтому они не имеют иерархической структуры (плоский адрес). Типичным представителем адреса такого типа является адрес сетевого адаптера. 00 -13 -8 F-CA-09 -2 D n Символьные адреса (такие адреса необходимы для лучшего запоминания людьми, поэтому они должны нести какой-то смысл: ftp-arh 1. ucl. ac. uk. ). Этот адрес говорит о том, что данный компьютер поддерживает ftp-архив в сети одного из колледжей Лондонского университета (University College London - uсl) и эта сеть относится к академической ветви (ас) Internet Великобритании (United Kingdom - uk). Числовые адреса - в больших сетях для определения адресов узлов используют числовые составные адреса фиксированного и компактного форматов, например, ІР- и ІРХ-адреса: 172. 16. 200. 203 В них поддерживается двухуровневая иерархия, адрес делится на старшую часть - номер сети и младшую - номер узла. Пользователи адресуют компьютеры символьными именами, которые автоматически заменяются в передаваемых сообщениях на числовые номера. Так сообщения передаются из одной сети в другую, а после доставки в сеть назначения используется 35 аппаратный адрес. n

Преобразование адресов n n Один и тот же адрес может быть записан в разных форматах, скажем, числовой адрес в предыдущем примере 129. 26. 255 может быть записан и в шестнадцатеричном формате цифрами — 81. 1 a. ff. А для преобразования адресов из одного вида в другой используются специальные вспомогательные протоколы, которые называют иногда протоколами разрешения адресов (address resolution). Централизованный подход: n ¨ в сети выделяется сервер имен с таблицей соответствия имен разных типов (числовых и символьных). Другие компьютеры обращаются к серверу для поиска по символьному номеру числового централизованный подход: специальная сетевая служба (DNS Domain Name System) 36

Распределенный подход : компьютер посылает всем компьютерам сети широковещательное сообщение с просьбой опознать адрес. n При распределенном подходе, каждый компьютер сам решает задачу установления соответствия между именами. n Перед началом передачи данных компьютер-отправитель посылает всем компьютерам сети сообщение (такое сообщение называется широковещательным) с просьбой опознать это числовое имя. n Все компьютеры, получив это сообщение, сравнивают заданный номер со своим собственным. Тот компьютер, у которого обнаружилось совпадение, посылает ответ, содержащий его аппаратный адрес, после чего становится возможным отправка сообщений по локальной сети. n Достоинства: не требует выделения специального компьютера с таблицей соответствия имен. n Недостатки: широковещательные сообщения перегружают сеть (требуют обязательной обработки всеми узлами, а не только узлом назначения. ) 37

Адресация итоги n Адреса могут использоваться для идентификации: q q q n Адреса могут быть: q q q n отдельных узлов; их групп (групповые адреса); сразу всех узлов сети (широковещательные адреса). числовыми и символьными; аппаратными и сетевыми; плоскими и иерархическими. Для преобразования адресов из одного вида в другой используются протоколы разрешения адресов (address resolution). 38

Критерии оценки сетей n n n n Производительность Надежность Совместимость Управляемость Защищенность Расширяемость Масштабируемость Поддержка разных видов трафика. 39

Критерии оценки сетей Производительность n время реакции - интервал времени между возникновением запроса пользователя к какой-либо сетевой службе и получением ответа на этот запрос. n пропускная способность - объем данных, переданных сетью или ее частью в единицу времени (мгновенная, максимальная, средняя, общая пропускная способностью). n задержка передачи определяется временем между моментом поступления пакета на вход какого-либо сетевого устройства или части сети и моментом появления его на выходе этого устройства. Пропускная способность и задержки передачи являются независимыми параметрами 40

Критерии оценки сетей Надежность готовность или коэффициент готовности q отказоустойчивость q сохранность данных (защита от искажений, согласованность или непротиворечивость) Безопасность - способность системы защитить данные от несанкционированного доступа. Расширяемость - возможность сравнительно легкого добавления отдельных элементов сети (пользователей, компьютеров, приложений, служб), наращивания длины сегментов сети и замены существующей аппаратуры более мощной. Масштабируемость - сеть позволяет наращивать количество узлов и протяженность связей в очень широких пределах, при этом производительность сети не ухудшается. q 41

Критерии оценки сетей Прозрачность - сеть представляется пользователям как единая традиционная вычислительная машина (лозунг компании Sun Microsystems: «Сеть — это компьютер» ). Для работы с удаленными ресурсами используются те же команды и привычные ему процедуры, что и для работы с локальными ресурсами. Сеть должна скрывать все особенности операционных систем и различия в типах компьютеров Поддержка разных видов трафика. Особую сложность представляет совмещение в одной сети традиционного компьютерного и мультимедийного трафика. Затрачиваются большие усилия по созданию сетей, которые не ущемляют интересы одного из типов трафика. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 42

Критерии оценки сетей n n n Управляемость сети - возможность централизованно контролировать состояние основных элементов сети, выявлять и разрешать проблемы, возникающие при работе сети, выполнять анализ производительности и планировать развитие сети. В области систем управления сетями много нерешенных проблем. Совместимость или интегрируемость - сеть способна включать в себя самое разнообразное программное и аппаратное обеспечение (в ней могут сосуществовать различные операционные системы, поддерживающие разные стеки коммуникационных протоколов, и работать аппаратные средства и приложения от разных производителей). Сеть, состоящая из разнотипных элементов, называется неоднородной или гетерогенной. Если гетерогенная сеть работает без проблем, то она является интегрированной. Основной путь построения интегрированных сетей использование модулей, выполненных в соответствии с открытыми стандартами и спецификациями. 43

Сетевые службы Для конечного пользователя сеть представляется набором сетевых служб. q q q Служба репликации Служба вызова удаленных процедур Служба администрирования Файловая служба Служба печати Почтовая служба Основные службы - файловая служба и служба печати обычно предоставляются сетевой операционной системой, Вспомогательные, например, служба баз данных, факса или передачи голоса, системными сетевыми приложениями или утилитами, работающими в тесном контакте с сетевой ОС. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 44

Стандартизация в сетях n Сети - это соединение разного оборудования и программного обеспечения. Поэтому проблема совместимости является одной из наиболее острой. Необходимо принятие всеми производителями общепринятых правил построения оборудования и программного обеспечения - спецификаций. n Спецификация - это формальное описание аппаратных или программных компонентов, способов их функционирования, взаимодействия с другими компонентами, условий эксплуатации, ограничений и особых характеристик. n Спецификации могут быть открытыми и закрытыми. n Под открытой спецификацией понимают опубликованные, общедоступные спецификации, соответствующие стандартам и принятые в результате достижения согласия после всестороннего обсуждения всеми заинтересованными сторонами Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 45

Открытые системы n Открытая система - любая система (компьютер, вычислительная сеть, программный продукт и др. ), которая построена в соответствии с открытыми спецификациями. n Наличие открытых систем позволяет третьим сторонам (фирмам) разрабатывать для этих систем различные программные и аппаратные средства расширения и модификации, а также создавать программно-аппаратные комплексы из продуктов разных производителей. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 46

Открытые системы Если две сети построены с соблюдением принципов открытости, то это дает следующие преимущества: n n Возможность построения сети из аппаратных и программных средств различных производителей, придерживающихся одного и того же стандарта; Возможность безболезненной замены отдельных компонентов сети другими, более совершенными, что позволяют сети развиваться с минимальными затратами; Возможность легкого сопряжения одной сети с другой; Простота освоения и обслуживания сети. Чем больше открытых спецификаций использовано при разработке системы, тем более открытой она является. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 47

Принцип Декомпозиции n n Организация взаимодействия между устройствами сети является сложной задачей. В соответствии с принципами системного анализа, для решения сложных задач используется универсальный прием декомпозиция, то есть разбиение одной задачи на несколько задач - модулей. Декомпозиция состоит в четком определении функций каждой части (модуля), а также порядка их взаимодействия (интерфейсов). В результате достигается логическое упрощение задачи и появляется возможности модификации отдельных модулей без изменения остальной части системы. При декомпозиции сетевого взаимодействия используют многоуровневый подход. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 48

Многоуровневый подход n n все множество модулей, решающих частные задачи, разбивают на группы и упорядочивают по уровням, образующим иерархию; в соответствии с принципом иерархии для каждого промежуточного уровня можно указать непосредственно прилегающие к нему соседние вышележащий и нижележащие уровни; группа модулей, составляющих уровень, должна быть сформирована таким образом, чтобы модули этой группы для выполнения своих задач обращались с запросами только к модулям соседнего нижнего уровня; результаты работы всех модулей некоторого уровня могут быть переданы только модулям соседнего верхнего уровня. Уровень 1 Уровень 2 Уровень … Модуль 1 Модуль 2 Модуль 4 Модуль 5 Модуль3 Модуль 6 Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 49

Многоуровневый подход n n n Иерархическая декомпозиция задачи предполагает четкое определение функций каждого уровня и интерфейсов между уровнями. Интерфейс определяет набор правил взаимодействия между модулями разных уровней. В результате иерархической декомпозиции достигается относительная независимость уровней, а значит и возможность их легкой замены. 50

Пример: обращение к файлу в сети Запрос на доступ к файлу последовательно обрабатывается несколькими программными уровнями: 1) Последовательный разбор составного символьного имени файла и определение уникального идентификатора файла 2) Нахождение по уникальному имени основные характеристик файла: адрес, атрибуты доступа и т. п. 3) Проверка прав доступа к этому файлу 4) Расчет координат области файла, содержащего требуемые данные 5) Физический обмен с внешним устройством с помощью драйвера диска. 51

Многоуровневый подход в сети Специфика сетевого взаимодействия - в процессе обмена сообщениями участвуют два компьютера. Необходимо организовать согласованную работу двух иерархий. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 52

Протоколы, интерфейсы и стеки n Формализованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты, лежащие на одном уровне, но в разных узлах, называются протоколом. n Модули, реализующие протоколы соседних уровней и находящиеся в одном узле, взаимодействуют друг с другом также в соответствии с определенными правилами - интерфейсами. n Интерфейс – набор обеспечивается набором сервисов, предоставляемых данным уровнем соседнему. n Иерархически организованный набор протоколов, достаточный для организации взаимодействия узлов в сети, называется стеком коммуникационных протоколов. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 53

Пример многоуровневого взаимодействия Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 54

Пример многоуровневого взаимодействия предприятий n Между предприятиями существуют договоренности, например, как регулярные поставки продукции одного предприятия другому. В соответствии с этой договоренностью начальник отдела продаж предприятия А регулярно в начале каждого месяца посылает официальное сообщение начальнику отдела закупок предприятия В о том, сколько и какого товара может быть поставлено в этом месяце ( «протокол уровня начальников» ). n Начальники посылают свои сообщения и заявки через своих секретарей. Порядок взаимодействия начальника и секретаря соответствует понятию межуровневого интерфейса «начальник - секретарь» . Интерфейсы «начальник - секретарь» на двух предприятиях отличаются. n Выбор способа передачи - это уровень компетенции секретарей, они могут решать этот вопрос не уведомляя об этом своих начальников, так как их протокол взаимодействия связан только с передачей сообщений, поступающих сверху, и не касается содержания этих сообщений. n Каждый уровень имеет собственный протокол, который может быть изменен независимо от протокола другого уровня. Эта независимость протоколов друг от друга и делает привлекательным многоуровневый подход. n Физическая передача только на нижнем уровне. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 55

Модель ISO/OSI n n n В период с 1977 по 1984 год профессионалы разработали модель сетевой архитектуры под названием «рекомендуемая модель взаимодействия открытых систем» (the Reference Model of Open Systems Interconnection, OSI). При разработке использовалась модель, предложенная Международным институтом стандартов (International Standards Organization, ISO) В модели ISO/OSI под открытой системой понимается сетевое устройство, готовое взаимодействовать с другими сетевыми устройствами с использованием стандартных правил, определяющих формат, содержание и значение принимаемых и отправляемых сообщений Для многих профессионалов модель ISO/OSI представляет собой образец идеальной сетевой архитектуры. В модели ISO/OSI средства взаимодействия делятся на семь уровней: прикладной, представительский (уровень представления), сеансовый, транспортный, сетевой, канальный (уровень соединения) и физический. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 56

57 Уровни модели ISO/OSI

Модель ISO/OSI 58

Физический уровень (биты) n n n Физический уровень отвечает за передачу последовательности битов через канал связи. Основной проблемой является, как гарантировать, что если на одном конце послали 1, то на другом получили 1, а не 0. На этом уровне решают такие вопросы q q q n каким напряжением надо представлять 1, а каким - 0; сколько микросекунд тратиться на передачу одного бита; следует ли поддерживать передачу данных в обоих направлениях одновременно; как устанавливается начальное соединение и как оно разрывается; каково количество контактов на сетевом разъеме, для чего используется каждый контакт. В основном вопросы механики, электрики. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 59

Канальный уровень Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 60

Уровень канала данных (кадры, фреймы) Основной задачей уровня канала данных - превратить несовершенную среду передачи в надежный канал, свободный от ошибок передачи. Эта задача решается разбиением данных отправителя на кадры или фреймы (обычно от нескольких сотен до нескольких тысяч байтов), передачей фреймов последовательно и обработкой фреймов уведомления, поступающих от получателя. Эта задача решается введением специальной последовательности битов, которая добавляется в начало и в конец фрейма и всегда интерпретируется как границы фрейма. Другой проблемой, возникающей на уровне канала данных, как управлять потоком передачи. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 61

Сетевой уровень Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 62

Сетевой уровень (пакеты) q. Сетевой уровень это внутрисетевая первичная служба доставки и служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей, причем эти сети могут использовать совершенно различные принципы передачи сообщений между конечными узлами и обладать произвольной структурой связей. q. Основной проблемой здесь является как маршрутизировать пакеты от отправителя к получателю. Маршруты могут быть определены заранее или определяться в момент установления соединения. Могут строиться динамически в зависимости от загрузка сети. q. Поскольку за использование подсети, как правило, предполагается оплата, то на этом уровне также присутствуют функции учета. q. Если пакет адресован в другую сеть, то надо предпринять надлежащие меры: там может быть другой формат пакетов, отличный способ адресации, размер пакетов, протоколы и т. д. - это все проблемы неоднородных сетей решаются на сетевом уровне Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 63

Транспортный уровень Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 64

Транспортный уровень (пакеты) q. Основная функция транспортного уровня это: принять данные с уровня сессии, разделить, если надо, на более мелкие единицы, передать на сетевой уровень и позаботиться, чтобы все они дошли в целостности до адресата. q. От транспортного уровня зависит количество пакетов, путешествующих по сети. Транспортный уровень генерирует трафик пакетов данных, которым должен управлять сетевой уровень. q. Транспортный уровень должен создать специальное сетевое соединение для каждого транспортного соединения по запросу уровня сессии. q. Транспортный уровень - это действительно уровень, обеспечивающий соединение точка-точка. q. Транспортный уровень также отвечает за установление и разрыв транспортного соединения в сети. q. Транспортный уровень также должен предотвращать «захлебывание» получателя в случае очень «быстро говорящего» отправителя (управление потоком). Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 65

Сеансовый уровень Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 66

Сеансовый уровень q. Сеансовый уровень (уровень сессии) позволяет пользователям на разных машинах устанавливать сессии, передать данные между компьютерами и преобразует формат данных, подготовленных для передачи по сети, в формат, годный для передачи приложениям. q. Сеансовый уровень устраняет возможность потери данных приложением (обрабатывает запросы на изменение таких параметров соединения, как скорость передачи и контроль ошибок). q. Сеансовый уровень решает такие задачи по обработке соединений между процессами и приложениями на различных компьютерах, как обработка имен, паролей и прав доступа. q. Другим видом сервиса - управление маркером передачи. q. Другой услугой уровня сессии является синхронизация (уровень сессии позволяет расставлять контрольные точки и в случае отказа одной из машин передача возобновиться с последней контрольной точки) Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 67

Уровень представления Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 68

Уровень представления n. Уровень представления предоставляет решения проблем согласования семантики и синтаксиса передаваемой информации. Этот уровень имеет дело с информацией, а не с потоком битов. n. Типичным примером услуги на этом уровне - унифицированная кодировка данных. Для того, чтобы машины с разной кодировкой и представлением данных могли взаимодействовать, передаваемые структуры данных определяются специальным абстрактным способом, не зависящим от кодировки, используемой при передаче. n. Уровень представления работает со структурами данных в абстрактной форме, преобразует это представление во внутреннее для конкретной машины и из внутреннего, машинного представления в стандартное представление для передачи по сети. n. Уровень представления образует интерфейс сети к устройствам компьютера, таким как принтеры, мониторы, форматы файлов. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 69

Уровень приложения q. На этом уровне сконцентрированы функции, относящиеся к общесетевым приложениям с помощью которых пользователи сети получают доступ к разделяемым ресурсам и организуют свою совместную работу. q. Прикладные программы вроде электронной почты, браузера или распределенной базы данных - образец использования функций уровня приложения. q. Другой пример - передача файлов. Для передачи файлов между разными системами надо преодолевать все различия. Для этого есть приложение FTP, также расположенное на уровне приложений. q. Единица данных, которой оперирует прикладной уровень, обычно называется сообщением (message). Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 70

Сетезависимые и сетенезависимые уровни. Функции всех уровней модели ISO/OSI могут быть отнесены к одной из двух групп: n зависящим от конкретной технической реализации сети n ориентированным на работу с приложениями Три нижних уровня — физический, канальный и сетевой — являются сетизависимыми, (связаны с технической реализацией сети и используемым коммуникационным оборудованием). Три верхних уровня — прикладной, представительный и сеансовый — ориентированы на приложения и мало зависят от технических особенностей построения сети. На протоколы этих уровней не влияют изменения в топологии сети, замена оборудования или переход на другую сетевую технологию. Транспортный уровень является промежуточным, он скрывает все детали функционирования нижних уровней от верхних. Это позволяет разрабатывать приложения, не зависящие от технических средств непосредственной транспортировки сообщений. 71

Соответствие функций устройств сети уровням модели ISO/OSI Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 72

Стандартные стеки коммуникационных протоколов В настоящее время в сетях используется большое количество стеков коммуникационных протоколов. Наиболее популярными являются стеки: TCP/IP, IPX/SPX, Net. BIOS/SMB, DECnet, SNA и OSI. Все эти стеки, кроме SNA на нижних уровнях — физическом и канальном, — используют одни и те же хорошо стандартизованные протоколы Ethernet, Token Ring, FDDI и некоторые другие, которые позволяют использовать во всех сетях одну и ту же аппаратуру. На верхних уровнях все стеки работают по своим собственным протоколам. Эти протоколы часто не соответствуют рекомендуемому моделью ISO/OSI разбиению на уровни. В частности, функции сеансового и представительного уровня, как правило, объединены с прикладным уровнем. Такое несоответствие связано с тем, что модель ISO/OSI появилась как результат обобщения уже существующих и реально используемых стеков, а не наоборот. 73

Стандартные стеки коммуникационных протоколов Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 74

Замечание к стандартным стекам коммуникационных протоколов Модель ISO/OSI доказала свою эффективность как методологический инструмент, стала популярной. Этого нельзя сказать о реализованных протоколах. Стек TCP/IP - все наоборот - модели по существу нет, зато протоколы получили широкое распространение. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 75

Базовые технологии для локальных сетей Ethernet -1980 год Случайный метод доступа к разделяемой среде передачи данных. Среда - толстый или тонкий коаксиальный кабель, витая пара, оптоволокно или радиоволны. Скорость - 10 Мбит/с. Управление доступом к линии связи осуществляется специальными контроллерами — сетевыми адаптерами Ethernet. Каждый сетевой адаптер (компьютер), имеет уникальный адрес. Передача данных происходит со Время монопольного использования разделяемой среды одним узлом ограничивается временем передачи одного кадра. Кадр — это единица данных, которыми обмениваются компьютеры в сети Ethernet. Кадр имеет фиксированный формат и кроме данных содержит адрес получателя и адрес отправителя. При попадании кадра в разделяемую среду передачи данных все сетевые адаптеры одновременно начинают принимать этот кадр и анализируют адрес назначения. Если этот адрес совпадает с их собственным адресом, кадр помещается во внутренний буфер сетевого адаптера. В стандарте Ethernet предусмотрен алгоритм обнаружения и корректной обработки коллизий. Вероятность возникновения коллизии зависит от интенсивности сетевого трафика. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 76

Базовые технологии для локальных сетей Fast Ethernet – 1995 г. Скорость 100 Мбит/с. Fast Ethernet Alliance сохраняет случайный метод доступа и обеспечивало преемственность и согласованность сетей 10 Мбит/с и 100 Мбит/с. Все отличия технологии Fast Ethernet от Ethernet сосредоточены на физическом уровне. Отказ от коаксиального кабеля привел к тому, что сети Fast Ethernet имеют иерархическую древовидную структуру, построенную на концентраторах. На небольших расстояниях витая пара категории позволяет передавать данные с той же скоростью, что и коаксиальный кабель, но сеть получается более дешевой и удобной в эксплуатации. На больших расстояниях оптическое волокно обладает гораздо более широкой полосой пропускания, чем коаксиальный кабель, а стоимость сети получается ненамного выше. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 77

Базовые технологии для локальных сетей Gigabit Ethernet – 1999 г. Скорость 1000 Мбит/с (1 Гбит/с) Основная идея разработчиков стандарта Gigabit Ethernet состоит в максимальном соединении идей классической технологии Ethernet при достижении битовой скорости 1000 Мбит/с Сохраняются все форматы кадров Ethernet. Существует полудуплексная версия протокола, поддерживающая метод случайного доступа, и полнодуплексная версия, работающая с коммутаторами (позволит применить Gigabit Ethernet в небольших рабочих группах). Поддерживаются все основные виды кабелей, используемых в Ethernet и Fast Ethernet (волоконно-оптический, витая пара категории 5, коаксиал). Разработчикам технологии Gigabit Ethernet пришлось внести изменения не только в физический уровень, как это было в случае Fast Ethernet, но и в уровень управления доступом к среде (Media Access Control, MAC). Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 78

Базовые технологии для локальных сетей Token Ring - 1984 г. Технология Token Ring разработана компанией IBM Token Ring работают с двумя битовыми скоростями - 4 и 16 Мбит/с. Компания IBM использует технологию Token Ring в качестве своей основной сетевой технологии для построения локальных сетей на основе компьютеров различных классов — мэйнфреймов, мини-компьютеров и персональных компьютеров. Технология Token Ring характеризуется разделяемой средой передачи данных, соединяющих все станции сети в кольцо. Кольцо рассматривается как общий разделяемый ресурс и для доступа к нему используется детерминированный алгоритм, основанный на передаче станциям права на использование кольца в определенном порядке. Это право передается с помощью кадра специального формата, называемого маркером или токеном (token). Технология Token Ring является более сложной технологией, чем Ethernet. Она обладает свойствами отказоустойчивости. В сети Token Ring определены процедуры контроля работы сети. В некоторых случаях обнаруженные ошибки в работе сети устраняются автоматически. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 79

Базовые технологии для локальных сетей FDDI – 1990 г. Технология FDDI (Fiber Distributed Data Interface) — первая технология локальных сетей, в которой средой передачи данных является волоконно-оптический кабель. Технология FDDI во многом основывается на технологии Token Ring, развивая и совершенствуя ее основные идеи. Разработчики технологии FDDI ставили перед собой в качестве наиболее приоритетных следующие цели: q повысить битовую скорость передачи данных до 100 Мбит/с; q повысить отказоустойчивость сети за счет стандартных процедур восстановления ее после отказов различного рода — повреждения кабеля, некорректной работы узла, концентратора, возникновения высокого уровня помех на линии и т. п. Сеть FDDI строится на основе двух оптоволоконных колец, которые образуют основной и резервный пути передачи данных между узлами сети. Технология FDDI является наиболее отказоустойчивой. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 80

Технологии глобальных сетей Ввиду большой стоимости глобальных сетей существует долговременная тенденция создания единой глобальной сети, которая может передавать данные любых типов: компьютерные данные, телефонные разговоры, факсы, телеграммы, телевизионное изображение, телетекс (передача данных между двумя терминалами), видеотекс (получение хранящихся в сети данных на свой терминал) и т. п. Первая технология для интеграции телекоммуникационных услуг ISDN стала развиваться с начала 70 -х годов. Попытки создать интегрированные сети на новом витке развития технологий продолжаются под преемственным названием Broadband ISDN (B-ISDN), то есть широкополосной (высокоскоростной) сети с интеграцией услуг. Сети B-ISDN будут основываться на технологии АТМ (технология ассинхронного режима передачи – Asynchrooonous Transfer Mode), как универсальном транспорте, и поддерживать различные службы верхнего уровня для распространения конечным пользователям сети разнообразной информации — компьютерных данных, аудио- и видеоинформации, а также организации интерактивного взаимодействия пользователей. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 81

Технологии глобальных сетей n n n Выделенные или арендуемые каналы (построении с их помощью территориальной сети определенной технологии, например frame relay, или соединение выделенными линиями только объединяемых локальных сетей или конечных абонентов другого типа, например, мэйнфреймов, без установки транзитных коммутаторов пакетов, работающих по технологии глобальной сети) Глобальные сети с коммутацией каналов (традиционные аналоговые телефонные сети и цифровые сети с интеграцией услуг ISDN) Глобальные сети с коммутацией пакетов (сеть с коммутацией пакетов доступна во всех географических точках, которые нужно объединить в общую корпоративную сеть) Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 82

Глобальные сети с коммутацией каналов Достоинством сетей с коммутацией каналов является их распространенность, что особенно характерно для аналоговых телефонных сетей. Аналоговые телефонные сети обладают такими недостатками, как низкое качество канала и большое время установления соединения, особенно при импульсном способе набора номера, характерного для нашей страны. Телефонные сети, полностью построенные на цифровых коммутаторах, и сети ISDN свободны от перечисленных недостатков традиционных аналоговых телефонных сетей. В последнее время сети ISDN во многих странах также стали вполне доступны корпоративному пользователю, а в России это утверждение относится пока только к крупным городам. Построение корпоративных глобальных сетей может оказаться экономически неэффективными. В таких сетях пользователи платят не за объем переданного трафика, а за время соединения (при трафике с большими пульсациями и, соответственно, большими паузами между пакетами оплата идет во многом не за передачу, а за ее отсутствие). Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 83

Глобальные сети с коммутацией пакетов Тип сети Скорость доступа Трафик Примечание Х. 25 1, 2 – 64 Кбит/с Терминальный Большая избыточность протоколов, хорошо работают на каналах низкого качества Frame Relay 64 Кбит/с – 2 Мбит/с Компьютерный Сравнительно новые сети, хорошо передают пульсации трафика, в основном поддерживают службу постоянных виртуальных каналов SMDS 1, 544 – 45 Мбит/с Компьютерный, графика, голос, видео Сравнительно новые сети, распространены в крупных городах Америки, вытесняются сетями АТМ ATM 1, 544 – 155 Мбит/с Компьютерный, графика, голос, видео Новые сети (с 1996 года), пока используются в основном для передачи компьютерного трафика TCP/IP 1, 2 – 2, 048 Kбит/с Терминальный, Компьютерный Широко распространены в некоммерческом варианте — сети Internet, коммерческие услуги пока слабые Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 84

Глобальные сети с коммутацией пакетов Все перечисленные в таблице сети, кроме сетей TCP/IP, используют маршрутизацию пакетов, основанную на виртуальных каналах между конечными узлами сети. Техника виртуальных каналов заключается в разделении операций маршрутизации и коммутации пакетов. Первый пакет таких сетей содержит адрес вызываемого абонента и прокладывает виртуальный путь в сети, настраивая промежуточные коммутаторы. Остальные пакеты проходят по виртуальному каналу в режиме коммутации на основании номера виртуального канала, который является локальным адресом для каждого порта каждого коммутатора. Преимущества и недостатки виртуальных каналов: n Преимущества - ускоренная коммутация пакетов по номеру виртуального канала, а также сокращение адресной части пакета, а значит, и избыточности заголовка. n Недостатки - невозможность распараллеливания потока данных между двумя абонентами по параллельным путям, а также неэффективность установления виртуального пути для кратковременных потоков данных. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 85