ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СЕТИ Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 1
Что такое сеть Сетью называется группа соединенных компьютеров и других устройств. Концепция соединенных и совместно использующих ресурсы компьютеров носит название сетевого взаимодействия. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 2
Зачем нужны сети n n n n Совместное использование данных и устройств. Разделение дорогостоящих ресурсов. Более высокая отказоустойчивость Способность выполнять параллельные вычисления Улучшение доступа к информации - оперативный доступ к обширной корпоративной информации Совершенствование коммуникаций - улучшение процесса обмена информацией и взаимодействия между сотрудниками предприятия, а также его клиентами и поставщиками. Лучшее соотношение производительность - стоимость Свобода в территориальном размещении компьютеров Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 3
Эволюция вычислительных систем n n n Системы пакетной обработки Многотерминальные системы Глобальные вычислительные сети Первые локальные сети Создание стандартных технологий локальных сетей Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 4
Системы пакетной обработки Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 5
Многотерминальные системы Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 6
Глобальные вычислительные сети Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 7
Первые локальные сети Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 8
Создание стандартных сетевых технологий n n Сетевая технология – это топология сети, метод адресации компьютеров в сети, способы кодирования и передачи информации Технологии локальных сетей: q q q n Технологии территориальных сетей: q q n Ethernet Token Ring FDDI Х. 25 frame relay Универсальная технология q ATM Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 9
Отличия локальных сетей от глобальных Скорость обмена данными. Наличие в локальных сетях высокоскоростных каналов обмена данными между компьютерами, скорость которых (10, 16 и 100 Мбит/с) сравнима со скоростями работы устройств и узлов компьютера. Для глобальных сетей типичны гораздо более низкие скорости передачи данных — 2400, 9600, 28800, 33600 бит/с, 56 и 64 Кбит/с и только на магистральных каналах — до 2 Мбит/с и выше. Протяженность, качество и способ прокладки линий связи. Класс локальных вычислительных сетей по определению отличается от класса глобальных сетей небольшим расстоянием между узлами сети. Это делает возможным использование в локальных сетях качественных линий связи, которые не всегда доступны (из-за экономических ограничений) на больших расстояниях, свойственных глобальным сетям. В глобальных сетях часто применяются уже существующие линии связи (телеграфные или телефонные), а в локальных сетях они прокладываются заново. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 10
Современные тенденции n n n Слияние технологий локальных и глобальных сетей (появления высокоскоростных территориальных каналов связи) В глобальных сетях появляются службы доступа к ресурсам, такие же удобные и прозрачные , как и в локальных сетях Появление в ЛВС разнообразного коммуникационного оборудования (возможность построения больших корпоративных сетей) Возврат мэйнфреймов, поскольку обслуживание сотен серверов значительно сложнее, чем обслуживать несколько больших компьютеров Обработка в сетях мультимедийной информации Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 11
Классификация по территориальному признаку n n n Локальные сети Local Area Network (LAN) Глобальные сети Wide Area Network (WAN) Городские сети - Metropolitan Area Network (MAN) Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 12
Классификация по масштабу производственного подразделения n n n Сети отделов Сети предприятий Корпоративные сети Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 13
Локальная сеть отдела Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 14
Сеть предприятия Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 15
Корпоративные сети Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 16
Другие виды классификации n n По принадлежности (ведомственные и государственные) По скорости передачи q q q n n низкоскоростные (до 10 Мбит/сек) среднескоростные (до 100 Мбит/сек) высокоскоростные (свыше 100 Мбит/сек По типу среды передачи данных (проводные и беспроводные) С точки зрения организации взаимодействия компьютеров (одноранговые и с выделенным сервером) Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 17
Основные программные и аппаратные компоненты сети Сетевые приложения ОС Коммуникационное Аппаратный слой оборудование Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 18
Основные программные и аппаратные компоненты сети n n Аппаратный слой - компьютеры различных классов Коммуникационное оборудование физический уровень Программная платформа сети - сетевая операционная система логический Различные сетевые приложения уровень сетевые базы данных, почтовые системы и т. д. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 19
Сетевые операционные системы n n n Сетевая ОС - программное обеспечение, применяемое при каждом подключении компьютера к сети Сетевая ОС координирует доступ к сетевым ресурсам, отвечает за доставку сообщений по сети, защищает передаваемые по сети данные Примеры наиболее популярных сетевых ОС: Windows NT Server, Novel Netware Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 20
Взаимодействие компьютеров n n Интерфейс- формально определенная логическая и физическая граница между взаимодействующими объектами. Интерфейс задает параметры, процедуры и характеристики взаимодействия объектов. Физический интерфейс (порт) – определяется набором электрических связей и характеристикам сигналов. Логический интерфейс – набор информационных сообщений определенного формата, которыми обмениваются два устройства или две программы, а также набор правил, определяющих логику обмена этими сообщениями. В компьютере операции интерфейса реализуются совокупностью аппаратных и программных средств: интерфейсной картой (аппаратное устройство) и специальной программой, управляющей этим контроллером, которую называют драйвером периферийного устройства. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 21
Взаимодействие компьютеров n n Клиент - модуль, предназначенный для формировании сообщенийзапросов к удаленной машине от разных приложений, а затем приема результатов и передачи их соответствующим приложениям. Сервер - модуль, который постоянно ожидает прихода из сети запросов от клиентов и, приняв запрос, пытается его выполнить, возможно с участием локальной ОС. Один сервер может выполнять запросы сразу нескольких клиентов (последовательно или одновременно). Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 22
Взаимодействие компьютеров n n Программа, работающая на одном компьютере, не может получить непосредственный доступ к ресурсам другого компьютера - его дискам, файлам, принтеру. Она может только «попросить» об этом программу, работающую на том компьютере, которому принадлежат эти ресурсы. Эти «просьбы» выражаются в виде сообщений, передаваемых по каналам связи между компьютерами. Сообщения могут содержать не только команды на выполнение некоторых действий, но и собственно информационные данные (например, содержимое некоторого файла). Драйвер СОМ-порта вместе с контроллером СОМ-порта работают совместно с контроллером и драйвером СОМпорта другого компьютера. Вместе они обеспечивают передачу по кабелю между компьютерами одного байта информации (в локальных сетях подобные функции передачи данных в линию связи выполняются сетевыми адаптерами и их драйверами. ) Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 23
Взаимодействие компьютеров n n Приложение А формирует сообщение-запрос для приложения В на печать текста и помещает его в свой буфер. Чтобы передать данный запрос компьютеру В, приложение А обращается к локальной ОС, которая запускает драйвер СОМ-порта компьютера и сообщает ему адрес буфера, где хранится запрос. Затем драйвер и контроллер СОМ- порта компьютера А, взаимодействуя с драйвером и контроллером СОМ-порта компьютера В, передают сообщение байт за байтом в компьютер В. Драйвер СОМ-порта компьютера В постоянно находится в режиме ожидания прихода информации из внешнего мира. Получив очередной байт и убедившись в его корректности, драйвер помещает его в буфер приложения В. Приложение В принимает сообщение, интерпретирует его и формирует запрос к локальной ОС на выполнение тех или иных действий с принтером. В ходе печати могут возникнуть ситуации, о которых необходимо сообщить приложению А. В этом случае используется симметричная схема: теперь запрос на передачу сообщения поступает от приложения В к локальной ОС компьютера В. Драйверы и контроллеры СОМ-портов обоих компьютеров организуют побайтную передачу сообщения, которое затем помещается в буфер приложения А. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 24
Линии связи n Проводные (воздушные) линии связи провода без какихлибо изолирующих или экранирующих оплеток. n Кабельные линии (несколько слоев изоляции: электрической, электромагнитной, механической, климатической). q q q n Витая пара (на основе скрученных пар медных проводов) Коаксиальный кабель (для локальных сетей, глобальных сетей, кабельного телевидения и т. п. ) Волоконно-оптический (тонкие волокна, по которым распространяются световые сигналы, до 10 Гбит/с и выше). Радиоканалы наземной и спутниковой связи q q диапазоны коротких, средних и длинных волн - диапазоны амплитудной модуляции (обеспечивают дальнюю связь, но при невысокой скорости передачи данных) диапазоны ультракоротких волн и сверхвысоких частот (СВЧ) диапазоны частотной модуляции (более скоростные). В диапазоне СВЧ (свыше 4 ГГц) сигналы уже не отражаются ионосферой Земли Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 25
Физическая передача данных n Кодирование данных Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 26
Физическая передача данных Для преобразования данных из одного вида в другой используются модемы. Термин «модем» - сокращение от слов модулятор/демодулятор (модем модулирует частоту аналогового сигнала) Двоичный ноль преобразуется, например, в сигнал низкой, а единица — высокой частоты. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 27
Физическая передача данных n Последовательная и параллельная передача (байт данных) Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 28
Физическая передача данных n n Синхронная передача. q синхронизация на битовом и кадровом уровнях (чтобы передатчик и приемник смогли обеспечить устойчивый обмен информацией). q пользовательские данные собираются в кадр, который предваряется байтами синхронизации. Байт синхронизации —заранее известный код, который оповещает приемник о приходе кадра данных. Асинхронная передача (при плохом качестве линии связи для удешевления аппаратуры и повышения надежности передачи данных вводят дополнительные средства синхронизации). q синхронизации на уровне байт (каждый байт данных сопровождается специальными сигналами «старт» и «стоп» . q низкая стоимость оборудования асинхронной системы. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 29
Физическая передача данных n Типы соединений: симплексное, полудуплексное и дуплексное Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 30
Переключение (коммутация) соединения Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 31
Коммутация каналов Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 32
Коммутация каналов n n n Коммутаторы связаны линиями связи Скорость передачи равна пропускной способности сети При скорости информации меньше пропускной способности дополняются пустые данные Фиксированная пропускная способность выделяется на все время соединения Только одна пара абонентов имеет соединение При пульсации трафика сеть «простаивает» Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 33
Коммутация каналов n n n Сети с динамической коммутацией - соединение между абонентами устанавливается тогда, когда это нужно, то есть по инициативе одного из абонентов q Примерами сетей, поддерживающих режим динамической коммутации, являются телефонные сети общего пользования, локальные сети, сеть Internet. В сети с постоянной коммутацией заранее заказывается соединение на длительный период времени q Наиболее популярными сетями, работающими в режиме постоянной коммутации, сегодня являются сети технологии SDH, на основе которых строятся выделенные каналы связи с пропускной способностью в несколько гигабит в секунду. Некоторые типы сетей поддерживают оба режима работы. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 34
Коммутация пакетов Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 35
Коммутация пакетов n n n n Передаваемые данные (сообщения) разбиваются на пакеты (кадры) Пакет имеет заголовок (содержит адрес получателя) Пакеты могут двигаться разными маршрутами Пакет имеет концевик (содержит контрольную сумму) Пакеты поступают в сеть без предварительного резервирования линии связи со скоростью их генерации источником Пакетные коммутаторы имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов (отличие от коммутации каналов) Эффективное использование пропускной способности (сглаживание пульсаций трафика) Пакеты могут теряться (специальные механизмы компенсации) Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 36
Коммутация пакетов n n n Сообщением называется логически завершенная порция данных — запрос на передачу файла, ответ на этот запрос, содержащий весь файл, и т. п. Сообщения могут иметь произвольную длину (от нескольких байт до многих мегабайт). Пакеты тоже могут иметь переменную длину, но в узких пределах, например от 46 до 1500 байт. Каждый пакет снабжается заголовком, в котором указывается адресная информация, необходимая для доставки пакета узлу назначения, а также номер пакета, который будет использоваться узлом назначения для сборки сообщения. Пакеты транспортируются в сети как независимые информационные блоки. Коммутаторы сети принимают пакеты от конечных узлов и на основании адресной информации передают их другу, а в конечном итоге — узлу назначения. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 37
Методы продвижения пакетов n n n Дейтаграммная передача - пакеты передаются независимо друг от друга (пакет независимая единица передачи) Передача с установлением логического соединения – процедура обработки определяется для множества пакетов, передаваемых в рамках каждого соединения (используется информация о состоянии соединения) Передача с установлением виртуального канала – в число параметров соединения входит маршрут (виртуальный канал) и все пакеты проходят по нему. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 38
Дейтаграммная передача n n Кафедра "Автоматизированной обработки информации“ АБи. К 39 Дейтаграммный способ передачи данных основан на том, что все передаваемые пакеты обрабатываются независимо друг от друга, пакет за пакетом. Принадлежность пакета к определенному потоку между двумя конечными узлами и двумя приложениями, работающими на этих узлах, никак не учитывается.
Методы продвижения пакетов n n n Существует вероятность искажения некоторых бит передаваемых данных. Для повышения надежности передачи данных между компьютерами часто используется стандартный прием - подсчет контрольной суммы и передача ее по линиям связи после каждого байта или после некоторого блока байтов. Часто в протокол обмена данными включается как обязательный элемент сигнал-квитанция, который подтверждает правильность приема данных и посылается от получателя отправителю. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 40
Передача с установлением логического соединения Как минимум два кадра: информационные и служебные (для установления и разрыва соединения) Виртуальный канал эффективнее (компактней служебная информация) Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 41
Передача по виртуальным каналам n n Кафедра "Автоматизированной обработки информации“ АБи. К 42 Механизм виртуальных каналов (virtual circuit или virtual channel) создает в сети устойчивые пути следования трафика через сеть с коммутацией пакетов. Этот механизм учитывает существование в сети потоков данных.
Сравнение сетей с коммутацией каналов и пакетов Коммутация каналов Коммутация пакетов Необходимость предварительного установления соединения Отсутствует этап установления соединения (дейтаграммный способ) Адрес требуется только на этапе установления соединения Адрес и другая служебная информация передается с каждым пакетом Сеть может отказать абоненту в установления соединения Сеть всегда готова принять данные от абонента Гарантированная пропускная способность Пропускная способность сети для абонентов неизвестна, задержки передачи носят случайный характер Трафик реального времени передается без задержек Ресурсы сети используются эффективно при передаче пульсирующего трафика Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 43
Сравнение сетей с коммутацией каналов и пакетов n n n Сеть с коммутацией пакетов замедляет процесс взаимодействия конкретной пары абонентов. Однако, общий объем передаваемых сетью компьютерных данных в единицу времени при технике коммутации пакетов будет выше, чем при технике коммутации каналов. При равенстве предоставляемой скорости доступа сеть с коммутацией пакетов оказывается в 2 -3 раза дешевле, чем сеть с коммутацией каналов. Будущее принадлежит технологии коммутации пакетов, как более гибкой и универсальной. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 44
Мультиплексирование и демультиплексирование n n n Мультиплексирование – из нескольких отдельных потоков образуется общий агрегированный поток, передаваемый по одному физическому каналу Демультиплексирование – разделение суммарного агрегированного потока на несколько составляющих его потоков Мультиплексирование путем разделения времени или частотное разделение (каждый поток передает данные в выделенном ему частотном диапазоне) Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 45
Топология физических связей структура связей между компьютерами От топологии зависят: n Наличие резервных связей q q n Простота присоединения новых узлов q n Надежность Управление загрузкой каналов Расширяемость Экономические соображения q Минимизация длины связей Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 46
Топология физических связей n n n n Полносвязная топология Ячеистая топология Общая шина Звезда Иерархическая звезда Кольцо Смешанная топология Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 47
Полносвязная сеть n Сеть, в которой имеется ветвь между любыми двумя узлами. n Вариант громоздкий и неэффективный n Применяется редко и только в глобальных сетях при небольшом количестве компьютеров Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 48
Ячеистая сеть n Сеть, которая содержит по крайней мере два узла, имеющих два или более пути между ними (получается из полносвязной путем удаления связей с наименьшим трафиком) n Используется в глобальных сетях n Допускает соединение большого количества компьютеров Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 49
Общая шина n Подключение и обмен данными производится через общий канал связи, называемый общей шиной. n Преимущества: q q n Дешевизна Простота разводки кабеля Недостатки: q q q Низкая надежность Невысокая производительность Низкий уровень безопасности Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 50
Звездообразная сеть Сеть, в которой имеется только один промежуточный узел – концентратор n Преимущества: q q n Большая надежность Более высокий уровень безопасности Недостатки: q q Более высокая стоимость Ограниченные возможности по наращиванию узлов Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 51
Кольцевая сеть Сеть, в которой к каждому узлу присоединены две и только две ветви. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 52
Смешанная топология Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 53
Совместное использование линий связи несколькими компьютерами сети n n В вычислительных сетях используют как индивидуальные линии связи между компьютерами, так и разделяемые, когда одна линия связи попеременно используется несколькими компьютерами. Только в сети с полносвязной топологией для соединения каждой пары компьютеров имеется отдельная линия связи. В случае применения разделяемых линий связи возникает комплекс проблем , связанных с их совместным использованием: q электрические проблемы обеспечения нужного качества сигналов при подключении к одному и тому же проводу нескольких приемников и передатчиков, q логические проблемы разделения во времени доступа к этим линиям. Главной целью разделении ресурсов является удешевление. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 54
Совместное использование линий связи несколькими компьютерами сети n n Классическим примером сети с разделяемыми линиями связи являются сети с топологией «общая шина» , в которых один кабель совместно используется всеми компьютерами сети. Ни один из компьютеров сети в принципе не может индивидуально, независимо от всех других компьютеров сети, использовать кабель, так как при одновременной передаче данных сразу несколькими узлами сигналы смешиваются и искажаются. В сетях организация совместного доступа к линиям связи имеет свою специфику из-за существенно большего времени распространения сигналов по длинным проводам и это время для различных пар компьютеров может быть различным. Процедуры согласования доступа к линии связи могут занимать слишком большой промежуток времени и приводить к значительным потерям производительности сети. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 55
Совместное использование линий связи несколькими компьютерами сети n n Сеть с разделяемой средой при большом количестве узлов будет работать всегда медленнее, чем аналогичная сечь с индивидуальными линиями связи, так как пропускная способность индивидуальном линии связи достается одному компьютеру, а при ее совместном использовании - делится на все компьютеры сети. Часто с такой потерей производительности мирятся ради увеличения экономической эффективности сети. В новых технологиях, разработанных для локальных сетей, сохраняется режим разделяемых линий связи. В последние годы наметилась тенденция отказа oт разделяемых сред передачи данных и в локальных сетях. Это связано с тем, что за достигаемое таким образом удешевление сети приходится расплачиваться производительностью. В глобальных сетях отказ от разделяемых линий связи объясняется техническими причинами. Большие временные задержки распространения сигналов принципиально ограничивают применимость техники разделения линии связи. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 56
Принципы разделения среды n Метод случайного доступа q q q n Управление децентрализовано (участвуют все подключенные сетевые интерфейсы) Эту функцию выполняют сетевые карты или адаптеры Технология Ethernet Метод детерминированного доступа q q Распределенный (нет узла, определяющего очередность владения) или централизованный подход (есть арбитр доступа) Технология Token Ring Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 57
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. 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. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 58
Метод случайного доступа n n При методе случайного доступа 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. Сигналы нескольких передатчиков накладываются друг на друга и суммарный сигнал становится искаженным. Во всех сетевых технологиях, построенных на разделяемых средах, предусмотрен алгоритм обнаружения и корректной обработки коллизий. Вероятность возникновения коллизии зависит от интенсивности сетевого трафика. 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. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 59
Метод детерминированного доступа n 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. Топология «кольцо» Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 60
Структуризация сетей n Использование типовых структур порождает различные ограничения: q q q n Ограничения на длину связи между узлами Ограничения на количество узлов в сети Ограничения на интенсивность трафика Структуризация - это деление крупной системы на отдельные взаимосвязанные подсистемы q q Физическая структуризация сети Логическая структуризация сети Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 61
Физическая структуризация сети Физическая структуризация - используются повторители и концентраторы 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. Концентратор всегда изменяет физическую топологию сети, но при этом оставляет без изменения ее логическую топологию. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 62
Физическая структуризация сетей Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 63
Физическая структуризация сетей n n Концентраторы любых технологий повторяют сигналы, пришедшие с одного из своих портов, на других своих портах. Концентратор изменяет физическую топологию сети, но при этом оставляет без изменения ее логическую топологию. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 64
Логическая структуризация сети Наиболее важной проблемой, не решаемой путем физической структуризации, остается проблема перераспределения передаваемого трафика между различными физическими сегментами сети Логическая структуризация - процесс разбиения сети на сегменты с локализованным трафиком. Распространение трафика, предназначенного для компьютеров некоторого сегмента сети, только пределах этою сегмента, называется локализацией трафика. Используются мосты, коммутаторы, маршрутизаторы и шлюзы Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 65
Логическая структуризация сети В большой сети естественным образом возникает неоднородность информационных потоков и сеть состоит из множества подсетей рабочих групп, отделов и филиалов предприятия. Интенсивный обмен данными наблюдается между компьютерами, принадлежащими к одной подсети, и только небольшая часть обращений происходит к ресурсам компьютеров, находящихся вне локальных рабочих групп. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 66
Логическая структуризация сети Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 67
Логическая структуризация сети 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. Локализация трафика уменьшает возможность несанкционированного доступа к данным, так кадры не выходят за пределы своего сегмента, и их сложнее перехватить злоумышленнику. Мосты используют для локализации трафика аппаратные адреса компьютеров. Это затрудняет распознавание принадлежности компьютера к определенному логическому сегменту Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 68
Логическая структуризация сети Коммутатор - это мост нового поколения, который обрабатывает кадры в параллельном режиме. 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. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 69
Логическая структуризация сети Маршрутизатор также изолирует трафики отдельных частей сети, соединяет сети, созданные с помощью разных технологий (например Ethernet и X. 25). Маршрутизаторы образуют логические сегменты посредством явной адресации, поскольку используют не плоские аппаратные, а составные числовые адреса. Маршрутизаторы могут работать в сети с замкнутыми контурами, при этом они осуществляют выбор наиболее рационального маршрута из нескольких возможных. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 70
Логическая структуризация сети Пример использование маршрутизатора Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 71
Логическая структуризация сети Шлюз объединяет сети с разными типами системного и прикладного программного обеспечения (преобразование данных) Шлюз обеспечивает локализацию трафика в качестве побочного эффекта. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 72
Адресация компьютеров в сети К адресу узла сети и схеме его назначения предъявляются следующие требования: n Адрес должен уникально идентифицировать компьютер в сети любого масштаба. n Схема назначения адресов должна сводить к минимуму ручной труд администратора и вероятность дублирования адресов. n Адрес должен иметь иерархическую структуру, удобную для построения больших сетей. n Адрес должен быть удобен для пользователей сети, а это значит, что он должен иметь символьное представление (например, Servers или www. cisco. coм). n Адрес должен иметь по возможности компактное представление, чтобы не перегружать память коммуникационной аппаратуры - сетевых адаптеров, маршрутизаторов и т. п. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 73
Адресация компьютеров в сети Перечисленные требования противоречивы: - адрес, имеющий иерархическую структуру, будет менее компактным, чем неиерархический (такой адрес часто называют «плоским» , то есть не имеющим структуры). - символьный адрес требует больше памяти, чем адрес-число. 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 адресовимен. Каждый адрес используется в той ситуации, когда соответствующий вид адресации наиболее удобен. Чтобы компьютер всегда однозначно определялся своим адресом, используются специальные вспомогательные протоколы, которые по адресу одного типа могут определить адреса других типов. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 74
Адресация компьютеров в сети 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. n Символьные адреса (такие адреса необходимы для лучшего запоминания людьми, поэтому они должны нести какой-то смысл: ftp-arh 1. ucl. ac. uk. ) n 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 ) 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 аппаратный адрес. n Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 75
Адресация компьютеров в сети Плоская организация адресного пространства Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 76
Адресация компьютеров в сети Иерархическая организация адресного пространства Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 77
Адресация компьютеров в сети Установление соответствия адресов: q q централизованный подход: специальная сетевая служба (DNS - Domain Name System) распределенный подход Централизованный подход: 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 Распределенный подход: компьютер посылает всем компьютерам сети широковещательное сообщение с просьбой опознать адрес. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 78
Адресация компьютеров в сети При распределенном подходе, каждый компьютер сам решает задачу установления соответствия между именами. Перед началом передачи данных компьютер-отправитель посылает всем компьютерам сети сообщение (такое сообщение называется широковещательным) с просьбой опознать это числовое имя. 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. Достоинства: не требует выделения специального компьютера с таблицей соответствия имен. Недостатки: широковещательные сообщения перегружают сеть (требуют обязательной обработки всеми узлами, а не только узлом назначения. ) Распределенный подход используется только в небольших локальных сетях. В крупных сетях распространение широковещательных сообщений по всем ее сегментам становится практически нереальным, поэтому для них характерен централизованный подход. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 79
Маршрутизация Задача маршрутизации Определение маршрута q Оповещение сети о выбранном маршруте Определение маршрута по некоторому критерию (пропускная способность и загруженность каналов связи, задержки, вносимые каналами, количество промежуточных транзитных каналов и узлов) «Ручное» администратором сети или автоматическое определение маршрута Сообщение о маршруте для каждого транзитного устройства: «каждый раз, когда в устройство поступят данные , относящиеся к потоку n, их следует передать для дальнейшего продвижения на интерфейс А» Сообщение о маршруте записывается в таблицу коммутации узла q Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 80
Критерии оценки сетей n n n n Производительность Надежность Совместимость Управляемость Защищенность Расширяемость Масштабируемость Поддержка разных видов трофика. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 81
Критерии оценки сетей Производительность 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 n Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 82
Критерии оценки сетей Надежность q q q готовность или коэффициент готовности отказоустойчивость 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. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 83
Критерии оценки сетей Масштабируемость - сеть позволяет наращивать количество узлов и протяженность связей в очень широких пределах, при этом производительность сети не ухудшается. 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 трофика. 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" 84
Критерии оценки сетей 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. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 85
Сетевые службы Служба репликации n Служба вызова удаленных процедур n Служба администрирования n Файловая служба n Служба печати n Почтовая служба Для конечного пользователя сеть представляется набором сетевых служб. Основные службы - файловая служба и служба печати обычно предоставляются сетевой операционной системой, Вспомогательные, например, служба баз данных, факса или передачи голоса, системные сетевые приложения или утилиты, работающие в тесном контакте с сетевой ОС. n Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 86
Стандартизация в сетях n n 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. Спецификация - это формальное описание аппаратных или программных компонентов, способов их функционирования, взаимодействия с другими компонентами, условий эксплуатации, ограничений и особых характеристик. Спецификации могут быть открытыми и закрытыми. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 87
Открытые системы Под открытой спецификацией понимают опубликованные, общедоступные спецификации, соответствующие стандартам и принятые в результате достижения согласия после всестороннего обсуждения всеми заинтересованными сторонами Открытая система - любая система (компьютер, вычислительная сеть, программный продукт и др. ), которая построена в соответствии с открытыми спецификациями. 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. Для реальных систем полная открытость является недостижимым идеалом. Как правило, даже в системах, называемых открытыми, этому определению соответствует лишь некоторые части, поддерживающие внешние интерфейсы. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 88
Открытые системы Если две сети построены с соблюдением принципов открытости, то это дает следующие преимущества: n Возможность построения сети из аппаратных и программных средств различных производителей, придерживающихся одного и того же стандарта; n Возможность безболезненной замены отдельных компонентов сети другими, более совершенными, что позволяют сети развиваться с минимальными затратами; n Возможность легкого сопряжения одной сети с другой; n Простота освоения и обслуживания сети. Чем больше открытых спецификаций использовано при разработке системы, тем более открытой она является. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 89
Стандартизации вычислительных сетей В зависимости от статуса организаций различают следующие виды стандартов: n стандарты отдельных фирм n стандарты специальных комитетов и объединений, создаваемых несколькими фирмами (стандарты технологии АТМ, разрабатываемые специально созданным объединением АТМ Forum, насчитывающем около 100 коллективных участников) n национальные стандарты (стандарт FDDI, представляющий один из многочисленных стандартов, разработанных Американским национальным институтом стандартов (ANSI), или стандарты безопасности для операционных систем, разработанные Национальным центром компьютерной безопасности (NCSC) Министерства обороны США) n международные стандарты, например, модель и стек коммуникационных протоколов Международной организации по стандартам (ISO), многочисленные стандарты Международного союза электросвязи (ITU), в том числе стандарты на сети с коммутацией пакетов Х. 25, сети frame relay, ISDN, модемы и многие другие. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 90
Декомпозиция 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 каждого 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" 91
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 каждый 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. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 92
Многоуровневый подход Иерархическая декомпозиция задачи предполагает четкое определение функций каждого уровня и интерфейсов между уровнями. Интерфейс определяет набор cлужб, которые нижележащий уровень предоставляет вышележащему. В результате иерархической декомпозиции достигается относительная независимость уровней, а значит и возможность их легкой замены. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 93
Многоуровневый подход Запрос на доступ к файлу последовательно обрабатывается несколькими программными уровнями: n Последовательный разбор составного символьного имени файла и определение уникального идентификатора файла n Нахождение по уникальному имени основные характеристик файла: адрес, атрибуты доступа и т. п. n Проверка прав доступа к этому файлу n Расчет координат области файла, содержащего требуемые данные n Физический обмен с внешним устройством с помощью драйвера диска. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 94
Многоуровневый подход в сети Специфика сетевого взаимодействия - в процессе обмена сообщениями участвуют два компьютера. Необходимо организовать согласованную работу двух иерархий. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 95
Протоколы, интерфейсы и стеки Формализованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты, лежащие на одном уровне, но в разных узлах, называются протоколом. Модули, реализующие протоколы соседних уровней и находящиеся в одном узле, взаимодействуют друг с другом также в соответствии с определенными правилами - интерфейсами. Интерфейс - набор сервисов, предоставляемых данным уровнем соседнему. Иерархически организованный набор протоколов, достаточный для организации взаимодействия узлов в сети, называется стеком коммуникационных протоколов. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 96
Стек – организация данных (элементов и т. п. ), при которой последний пришедший обрабатывается первым. Стопка подносов в столовой является примером стека (последний положенный будет взят первым) Организация данных в виде стека широко используется в программировании (например, прокрукта элементов списка в окне – последний скрытый должен появится обратно первым). Далее будет показано, как стек используется при сетевом взаимодействии. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 97
Пример многоуровневого взаимодействия предприятий Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 98
Пример многоуровневого взаимодействия предприятий n n 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» ). 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. 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. 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. Физическая передача только на нижнем уровне. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 99
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" 100
Модель ISO/OSI Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 101
Модель ISO/OSI Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 102
Физический уровень Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 103
Физический уровень (биты) 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 каким напряжением надо представлять 1, а каким - 0; q сколько микросекунд тратиться на передачу одного бита; q следует ли поддерживать передачу данных в обоих направлениях одновременно; q как устанавливается начальное соединение и как оно разрывается; q каково количество контактов на сетевом разъеме, для чего используется каждый контакт. В основном вопросы механики, электрики. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 104
Канальный уровень Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 105
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" 106
Сетевой уровень Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 107
Сетевой уровень (пакеты) 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. 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. Поскольку за использование подсети, как правило, предполагается оплата, то на этом уровне также присутствуют функции учета. 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" 108
Транспортный уровень Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 109
Транспортный уровень (пакеты) 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. От транспортного уровня зависит количество пакетов, путешествующих по сети. Транспортный уровень генерирует трафик пакетов данных, которым должен управлять сетевой уровень. Транспортный уровень должен создать специальное сетевое соединение для каждого транспортного соединения по запросу уровня сессии. Транспортный уровень - это действительно уровень, обеспечивающий соединение точка-точка. Транспортный уровень также отвечает за установление и разрыв транспортного соединения в сети. Транспортный уровень также должен предотвращать «захлебывание» получателя в случае очень «быстро говорящего» отправителя (управление потоком). Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 110
Сеансовый уровень Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 111
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. Сеансовый уровень устраняет возможность потери данных приложением (обрабатывает запросы на изменение таких параметров соединения, как скорость передачи и контроль ошибок). Сеансовый уровень решает такие задачи по обработке соединений между процессами и приложениями на различных компьютерах, как обработка имен, паролей и прав доступа. Другим видом сервиса - управление маркером передачи. 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" 112
Уровень представления Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 113
Уровень представления предоставляет решения проблем согласования семантики и синтаксиса передаваемой информации. Этот уровень имеет дело с информацией, а не с потоком битов. 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. 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. Уровень представления образует интерфейс сети к устройствам компьютера, таким как принтеры, мониторы, форматы файлов. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 114
Уровень приложения На этом уровне сконцентрированы функции, относящиеся к общесетевым приложениям с помощью которых пользователи сети получают доступ к разделяемым ресурсам и организуют свою совместную работу. Прикладные программы вроде электронной почты, браузера или распределенной базы данных - образец использования функций уровня приложения. Другой пример - передача файлов. Для передачи файлов между разными системами надо преодолевать все различия. Для этого есть приложение FTP, также расположенное на уровне приложений. Единица данных, которой оперирует прикладной уровень, обычно называется сообщением (message). Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 115
Передача по сети (стек протоколов) Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 116
Сетезависимые и сетенезависимые уровни. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 117
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. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 118
Соответствие функций различных устройств сети уровням модели ISO/OSI Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 119
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. Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 120
Стандартные стеки коммуникационных протоколов Кафедра "Автоматизированной обработки информации" 121
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" 122
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. 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" 123
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 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" 124
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" 125
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, миникомпьютеров 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" 126
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 q повысить битовую скорость передачи данных до 100 Мбит/с; 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" 127
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" 128
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" 129
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" 130
Глобальные сети с коммутацией пакетов Тип сети Скорость доступа Х. 25 1, 2 – 64 Кбит/с Frame Relay 64 Кбит/с – Мбит/с Трафик Примечание Терминальный 2 Большая избыточность протоколов, хорошо работают на каналах низкого качества 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" 131
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" 132
Скачать презентацию ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СЕТИ Кафедра Автоматизированной обработки информации 1
Лекция 1 ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СЕТИ 2008+.ppt