Проблемы связи нескольких компьютеров

Обновлено: 05.07.2024

1. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СЕТИ

1.2. Основные проблемы построения сетей

В вычислительной технике для представления данных используется двоичный код. Внутри компьютера единицам и нулям данных соответствуют дискретные электрические сигналы. Представление данных в виде электрических или оптических сигналов называется кодированием. Существуют различные способы кодирования двоичных цифр 1 и 0, например, потенциальный способ, при котором единице соответствует один уровень напряжения, а нулю — другой, или импульсный способ, когда для представления цифр используются импульсы различной или одной полярности.

В вычислительных сетях применяют как потенциальное, так и импульсное кодирование дискретных данных, а также специфический способ представления данных, который никогда не используется внутри компьютера, — модуляцию (рис.1). При модуляции дискретная информация представляется синусоидальным сигналом той частоты, которую хорошо передает линия связи.


Рис. 1. Примеры представления дискретной информации

Потенциальное или импульсное кодирование применяется на каналах высоко­го качества, а модуляция на основе синусоидальных сигналов предпочтительнее в том случае, когда канал вносит сильные искажения в передаваемые сигналы. Обычно модуляция используется в глобальных сетях при передаче данных через аналоговые телефонные каналы связи, которые были разработаны для передачи голоса в аналоговой форме и поэтому плохо подходят для непосредственной передачи им­пульсов.

Для сокращения стоимости линий связи в сетях обычно стремятся к сокращению количества проводов и из-за этого используют не параллельную передачу всех бит одного байта или даже нескольких байт, как это делает­ся внутри компьютера, а последовательную, побитную передачу, требующую всего одной пары проводов.

Еще одной проблемой, которую нужно решать при передаче сигналов, является проблема взаимной синхронизации передатчика одного компьютера с приемником другого. Проблема синхронизации при связи компьютеров может решаться разными способами, как с помощью обмена специальными тактовыми синхроимпульсами по отдельной линии, так и с помощью периодической синхронизации заранее обусловленными кодами или импульсами характерной формы, отличающейся от формы импульсов данных.

Несмотря на предпринимаемые меры — выбор соответствующей скорости обме­на данными, линий связи с определенными характеристиками, способа синхрони­зации приемника и передатчика, — 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.

Задачи надежного обмена сигналами в вычислительных сетях решает определенный класс оборудования. В локальных сетях это сетевые адаптеры, а в глобальных сетях — аппаратура передачи данных, к которой относятся устройства, выполняющие модуляцию и демодуляцию дискретных сигна­лов, — модемы. Это оборудование кодирует и декодирует каждый информационный бит, синхронизирует передачу электромагнитных сигналов по линиям связи, проверяет правильность передачи по контрольной сумме и может выполнять неко­торые другие операции. Сетевые адаптеры рассчитаны на работу с определенной передающей средой — коаксиальным кабелем, витой парой, оптоволокном и т. п. Каждый тип передающей среды обладает определенными электрическими характеристиками, влияющими на способ использования данной среды, и определяет скорость передачи сигналов, способ их кодирования и некоторые другие параметры.

При объединении в сеть трех и более компьютеров возникает целый комплекс новых проблем.

В первую очередь необходимо выбрать способ организации физических связей, то есть топологию. Под топологией вычислительной сети понимается конфигурация графа, вершинам которого соответствуют компьютеры сети (иногда и другое оборудование, например концентраторы), а ребрам — физические связи между ними. Компьютеры, подключенные к сети, часто называют станциями или узлами сети.

Необходимо заметить, что конфигурация физических связей определяется электрическими соединениями компьютеров между собой и может отличаться от конфигурации логических связей между узлами сети. Логические связи представляют собой марш­руты передачи данных между узлами сети и образуются путем соответствующей настройки коммуникационного оборудования.

Полносвязная топология (рис. 2, а) соответствует сети, в которой каждый компьютер сети связан со всеми остальными. Несмотря на логическую простоту, этот вариант оказывается громоздким и неэффективным, поскольку для каждой пары компьютеров должна быть выделена отдельная электрическая линия связи. Полносвязные топологии применяются в основном в многомашинных комплексах или глобальных сетях при небольшом количестве компьютеров.

Все другие варианты основаны на неполносвязных топологиях, когда для обме­на данными между двумя компьютерами может потребоваться промежуточная передача данных через другие узлы сети.

Ячеистая топология ( mesh ) получается из полносвязной путем удаления некото­рых возможных связей (рис. 2, б). 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. Ячеистая топология допускает соединение большого количества компьютеров и характерна, как правило, для глобальных сетей.

Общая шина (рис. 2, в) является очень распространенной (а до недавнего времени самой распространенной) топологией для локальных сетей. В этом случае компьютеры подключаются к одному коаксиальному кабелю по схеме « монтажного ИЛИ». Передаваемая информация может распространяться в обе стороны. При­менение общей шины снижает стоимость проводки, унифицирует подключение различных модулей, обеспечивает возможность почти мгновенного широковещатель­ного обращения ко всем станциям сети. Таким образом, основными преимущества­ми такой схемы являются дешевизна и простота разводки кабеля по помещениям. Самый серьезный недостаток общей шины заключается в ее низкой надежности: любой дефект кабеля или какого-нибудь из многочисленных разъемов полностью парализует всю сеть. Другим недостатком общей шины является ее невысокая производительность, так как при таком способе подключения в каждый момент времени только один компьютер может передавать данные в сеть. Поэтому пропускная способность канала связи всегда делится здесь между всеми узлами сети.

Топология звезда (рис. 2, г ). В этом случае каждый компьютер подключается отдельным кабелем к общему устройству, называемому концентратором, который находится в центре сети. В функции концентратора входит направление передаваемой компьютером информации одному или всем остальным компьютерам сети. 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. Кроме того, концентратор может играть роль ин­теллектуального фильтра информации, поступающей от узлов в сеть, и при необходимости блокировать запрещенные администратором передачи. К недостаткам топологии типа звезда относится более высокая стоимость се­тевого оборудования из-за необходимости приобретения концентратора. Кроме того, возможности по наращиванию количества узлов в сети ограничиваются ко­личеством его портов. Иногда имеет смы сл стр оить сеть с использо­ванием нескольких концентраторов, иерархически соединенных между собой связями типа звезда (рис. 2, д ). В настоящее время такая иерархическая звезда или древовидная топология является самым распространенным типом топологии связей как в локальных, так и глобальных сетях.


Рис. 2. Типовые топологии сетей

В то время как небольшие сети, как правило, имеют типовую топологию — звезда, кольцо или общая шина, 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 (рис. 3).

Рис. 3. Смешанная топология

Только в сети с полносвязной топологией для соединения каждой пары компьюте­ров имеется отдельная линия связи, во всех остальных случаях неизбежно возникает вопрос о том, как организовать совместное использование линий связи не­сколькими компьютерами сети.

В вычислительных сетях используют как индивидуальные линии связи между компьютерами, так и разделяемые ( shared ), когда одна линия связи попеременно используется несколькими компьютерами. В случае применения разделяемых линий связи (часто используется также термин разделяемая среда передачи данных — shared media ) возникает комплекс проблем, связанных с их совместным использо­ванием, который включает как чисто электрические проблемы обеспечения нужного качества сигналов при подключении к одному и тому же проводу нескольких приемников и передатчиков, так и логические проблемы разделения во времени доступа к этим линиям.

Сеть с разделяемой средой при большом количестве узлов будет работать всегда медленнее, чем аналогичная сеть с индивидуальными линиями связи, так как пропускная способность индивидуальной 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.

Рис. 4. Индивидуальные и разделяемые линии связи в сетях

на основе коммутаторов

Еще одной новой проблемой, которую нужно учитывать при объединении трех и более компьютеров, является проблема их адресации. К адресу узла сети и схеме его назначения предъявляются несколько требований.

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. Каждый адрес используется в той ситуации, когда соответствующий вид адресации наиболее удо­бен. А чтобы не возникало путаницы, и компьютер всегда однозначно определялся своим адресом, используются специальные вспомогательные протоколы, которые по адресу одного типа могут определить адреса других типов.

В настоящее время наибольшее распространение получили три схемы адресации узлов:

· Аппаратные ( hardware ) адреса . Эти адреса предназначены для сети небольшого или среднего размера, поэтому они не имеют иерархической структуры. Типич­ным представителем адреса такого типа является адрес сетевого адаптера ло­кальной сети. Такой адрес обычно используется только аппаратурой, поэтому его стараются сделать по возможности компактным и записывают в виде двоич­ного или шестнадцатеричного значения, например 0081005е24а8. При задании аппаратных адресов обычно не требуется выполнение ручной работы, так как они либо встраиваются в аппаратуру компанией-изготовителем, либо генериру­ются автоматически при каждом новом запуске оборудования, причем уникаль­ность адреса в пределах сети обеспечивает оборудование. Помимо отсутствия иерархии, использование аппаратных адресов связано еще с одним недостат­ком — при замене аппаратуры, например, сетевого адаптера, изменяется и адрес компьютера. Более того, при установке нескольких сетевых адаптеров у компь­ютера появляется несколько адресов, что не очень удобно для пользователей сети.

Проблема установления соответствия между адресами различных типов, кото­рой занимается служба разрешения имен, может решаться как полностью центра­лизованными, так и распределенными средствами. В случае централизованного подхода в сети выделяется один компьютер (сервер имен), в котором хранится таблица соответствия друг другу имен различных типов, например, символьных имен и числовых номеров. Все остальные компьютеры обращаются к серверу имен, чтобы по символьному имени найти числовой номер компьютера, с которым необ­ходимо обменяться данными.

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.

Число возможных конфигураций резко возрастает при увеличении числа связываемых устройств. Так, если три компьютера мы можем связать двумя способами, то для четырех компьютеров (рис. 4.1) можно предложить уже шесть топологически различных конфигураций (при условии неразличимости компьютеров).

От выбора топологии связей зависят многие характеристики сети. Например, наличие между узлами нескольких путей повышает надежность сети и делает возможной балансировку загрузки отдельных каналов. Простота присоединения новых узлов, свойственная некоторым топологиям , делает сеть легко расширяемой. Экономические соображения часто приводят к выбору топологий , для которых характерна минимальная суммарная длина линий связи .

Среди множества возможных конфигураций различают полносвязные и неполносвязные:

Полносвязная топология (рис. 4.2) соответствует сети, в которой каждый компьютер непосредственно связан со всеми остальными. Несмотря на логическую простоту, это вариант громоздкий и неэффективный. Действительно, каждый компьютер в сети должен иметь большое количество коммуникационных портов, достаточное для связи с каждым из остальных компьютеров. Для каждой пары компьютеров должна быть выделена отдельная физическая линия связи . (В некоторых случаях даже две, если невозможно использование этой линии для двусторонней передачи.) Полносвязные ; топологии в крупных сетях применяются редко, так как для связи N узлов требуется N(N-1)/2 физических дуплексных линий связи, т.е. имеет место квадратичная зависимость. Чаще этот вид топологии используется в многомашинных комплексах или в сетях, объединяющих небольшое количество компьютеров.

Все другие варианты основаны на неполносвязных топологиях , когда для обмена данными между двумя компьютерами может потребоваться промежуточная передача данных через другие узлы сети.

Ячеистая топология ( mesh 1 Иногда термин "mesh" используют и для обозначения полносвязной или близкой к полносвязной топологий. ) получается из полносвязной путем удаления некоторых возможных связей. Ячеистая топология допускает соединение большого количества компьютеров и характерна для крупных сетей (рис 4.3).

В сетях с кольцевой конфигурацией (рис. 4.4) данные передаются по кольцу от одного компьютера к другому. Главное достоинство "кольца" в том, что оно по своей природе обладает свойством резервирования связей. Действительно, любая пара узлов соединена здесь двумя путями — по часовой стрелке и против. "Кольцо" представляет собой очень удобную конфигурацию и для организации обратной связи — данные, сделав полный оборот, возвращаются к узлу-источнику. Поэтому отправитель в данном случае может контролировать процесс доставки данных адресату. Часто это свойство "кольца" используется для тестирования связности сети и поиска узла, работающего некорректно. В то же время в сетях с кольцевой топологией необходимо принимать специальные меры, чтобы в случае выхода из строя или отключения какой-либо станции не прерывался канал связи между остальными станциями "кольца" .

Топология "звезда" (рис.4.5) образуется в том случае, когда каждый компьютер с помощью отдельного кабеля подключается к общему центральному устройству, называемому концентратором 2 В данном случае термин "концентратор" используется в широком смысле, им обозначается любое многовходовое устройство, способное служить центральным элементом, например коммутатор или маршрутизатор. . В функции концентратора входит направление передаваемой компьютером информации одному или всем остальным компьютерам сети. В роли концентратора может выступать как компьютер , так и специализированное устройство, такое как многовходовый повторитель , коммутатор или маршрутизатор . К недостаткам топологии типа "звезда" относится более высокая стоимость сетевого оборудования, связанная с необходимостью приобретения специализированного центрального устройства. Кроме того, возможности наращивания количества узлов в сети ограничиваются количеством портов концентратора .

Иногда имеет смысл строить сеть с использованием нескольких концентраторов , иерархически соединенных между собой связями типа "звезда" (рис. 4.6). 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.


Рис. 4.6. Топология "иерархическая звезда" или "дерево".

Особым частным случаем конфигурации звезда является конфигурация "общая шина" (рис. 4.7). Здесь в роли центрального элемента выступает пассивный кабель, к которому по схеме "монтажного ИЛИ" подключается несколько компьютеров (такую же топологию имеют многие сети, использующие беспроводную связь — роль общей шины здесь играет общая радиосреда). Передаваемая информация распространяется по кабелю и доступна одновременно всем присоединенным к нему компьютерам.

Основными преимуществами такой схемы являются низкая стоимость и простота наращивания, т.е. присоединения новых узлов к сети.

Самым серьезным недостатком "общей шины" является ее недостаточная надежность : любой дефект кабеля или какого-нибудь из многочисленных разъемов полностью парализует всю сеть . Другой недостаток "общей шины" — невысокая производительность , так как при таком способе подключения в каждый момент времени только один компьютер может передавать данные по сети, поэтому пропускная способность канала связи всегда делится между всеми узлами сети. До недавнего времени "общая шина" являлась одной из самых популярных топологий для локальных сетей.

В то время как небольшие сети, как правило, имеют типовую топологию — "звезда" , "кольцо" или "общая шина" , 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 (рис. 4.8).

I. ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ
• Простейший случай связи двух компьютеров.
• Сетевое ПО.
• Проблемы связи нескольких компьютеров. Топология
физических связей. Адресация узлов в сети (unicast, broadcast,
multicast,anycast). Организация адресного пространства. (поток
данных; маршрутизация;таблица коммутации).
Мультиплексирование и демультиплексирование. Разделение
физической среды
• Коммутация пакетов и каналов. Элементарный канал.
Составной канал. Коммутация пакетов. Буферизация пакетов.
Дейтаграмная передача. Логическое соединение. Виртуальный
канал.
• Типы компьютерных сетей. Глобальные сети. Локальные сети.
Составные сети. Телекоммуникационные сети.Сети
операторов связи. Корпоративные сети
• Стандартизация сетей.
• Модель OSI

3. СТРУКТУРА МОДУЛЯ

II. ТЕХНОЛОГИИ ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЕЙ.
• Локальные сети на разделяемой среде
ЛВС на разделяемой среде. Token Ring и FDDI.
• Ethernet. Оборудование. Кабели и методы
кодирования (4B/5B; Манчестер). Полоса
пропускания.
• Связь по радиоканалу. Стандарты
IEEE802.11. Принцип работы спутникового
интернета. Интернет в сотовых сетях.

4. СТРУКТУРА МОДУЛЯ

III. СТЕК ПРОТОКОЛОВ TCP/IP.
• Адресация в сетях TCP/IP. Формат IP адреса.
Классы IP адресов. Маски. CIDR. ARP. Доменные
имена. DNS.DHCP.
• Протокол IP. Формат IP-пакета. Фрагментация.
Маршрутизация
• Протоколы TCP и UDP
• Порты. Сокеты. UDP. Формат заголовка TCP.
Логические соединения. Метод скользящего окна.
Управление потоком.
• Маршрутизация. OSPF. Понятие шлюза. NAT

5. СТРУКТУРА МОДУЛЯ

IV. ТЕХНОЛОГИИ ГЛОБАЛЬНЫХ
СЕТЕЙ.
• Первичные сети. SONET. DWDM. OTN.
Frame Relay. ATM
• Технология MPLS. LSR.
Отказоустойчивость
• Глобальные сети IP. HDLC. PPP.
Carrier Ethernet

6. СТРУКТУРА МОДУЛЯ

7. Лабораторные работы

1. Коммутаторы 2-ого уровня. Протоколы
STP, RSTP, MSTP.
2. Коммутаторы 2-ого уровня. Протокол
VLAN.
3. Маршрутизаторы. Проткол
маршрутизации RIP.
4. Маршрутизаторы. Проткол
маршрутизации OSPF.

8. Рекомендуемая литература

1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Бройдо В.Л. Вычислительные системы, сети и
телекоммуникации. Спб.: Питер, 2002. 688 с.
Вишневский В.М. Теоретические основы
проектирования компьютерных сетей. М.: Техносфера,
2003. 512с.
Куин Лаем, Рассел Ричард. Fast Ethernet. К.:
Издательская группа BHV,1998. 448 с.
Кулаков Ю.А., Луцкий Г.М. Компьютерные сети. К.:
Юниор, 1998. 384 с.
Кульгин М.В. Коммутация и маршрутизация IP/IPXтрафика. М.: КомпьютерПресс, 1998. 320 с.
Кульгин М.В. Практика построения компьютерных
сетей. Для профессионалов. СПб.: Питер, 2001. 320 с.
Кульгин М.В. Технологии корпоративных сетей.
Энциклопедия. СПб: Изд-во "Питер", 1999. 704 с.

9. Рекомендуемая литература

8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
Леохин Ю.Л. Корпоративные сети: архитектура, технологии,
управление. М.: Фонд «Качество», 2009. 148 с.
Леохин Ю.Л., Бекасов В.Ю. Корпоративные сети: состояние,
перспективы и тенденции. М.: Фонд «Качество», 2008. 123 с.
Мартин М. Введение в сетевые технологии. М.:Изд-во Лори,2002.
659 с.
Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети: принципы,
технологии, протоколы. 3-е изд. СПб: Издательство «Питер», 2008.
958 с.
Олифер В.Г., Олифер Н.А. Новые технологии и оборудование IPсетей. СПб.: БХВ – Санкт-Петербург, 2000. 512 с.
Пятибратов А.П., Гудыно Л.П. Вычислительные системы, сети и
телекоммуникации. М.: Финансы и статистика, 2001. 512 с.
Ретана А., Слайс Д., Уайт Р. Принципы проектирования
корпоративных IP-сетей / пер. с анг. – М.: Издательский дом
«Вильяс», 2002. – 368 с.
Столлингс В., Компьютерные системы передачи данных: Изд. 6. М.:
Вильямс 2002. 928 с.
Фейбел Вернер. Энциклопедия современных сетевых технологий. К.:
Комиздат, 1998. 687 с.

10. Тема лекции: Проблемы связи нескольких компьютеров

Проблемы, возникающие при
объединении компьютеров в сеть
1. Выбор топология сети
2. Организация совместного использования
линий связи
3. Адресация узлов сети
4. Коммутация
11

12. Топология физических связей

Под топологией сети понимается конфигурация
графа, вершинам которого соответствуют конечные узлы
сети и коммуникационное оборудование, а ребрам –
физические или информационные связи.
12

13. Топология физических связей

• полносвязная топология
• ячеистая топология
• общая шина
• звезда
• иерархическая звезда
(дерево)
• кольцо
• смешанная топология
13

14. Организация совместного использования линий связи

Разделяемой средой называется физическая среда
передачи данных, к которой непосредственно подключено
несколько узлов сети. Причем в каждый момент времени
только один узел получает доступ к разделяемой среде.
2
7
9
1
5
4
10
Разделяемый канал
6
11
3
8
14

15. Способы организации совместного доступа к разделяемым линиям связи

• Централизованный
• Децентрализованный
Индивидуальные и разделяемые линии связи в сетях на основе коммутаторов
15

16. Адресация узлов сети

17. Классификация адресов по количеству адресуемых интерфейсов

• уникальный адрес (unicast)
• групповой адрес (multicast)
• широковещательный адрес (broadcast)
•адрес произвольной рассылки (anycast)
17

18. Типы адресов

• Числовые и символьные
•Аппаратные и сетевые
•Плоские и иерархические
Проблема установления соответствия между адресами различных
типов решается централизованными или распределенными
средствами.
18

19. Коммутация

20. Обобщенная задача коммутации

21. Определение потоков данных

Информационным потоком (data flow, data stream) называют
последовательность
данных,
объединенных
набором
общих
признаков, который выделяет эти данные из общего сетевого трафика.
Транзитный узел
Узел-отправитель
Транзитный узел
Узел-получатель
Маршрут 2 – 1 – 5 - 4
21

22. Определение маршрута

Определить маршрут – это значит выбрать
последовательность транзитных узлов и их
интерфейсов, через которые надо передавать
данные, чтобы доставить их адресату.
Критерии выбора маршрута:
• номинальная пропускная способность;
• загруженность каналов связи;
• задержки, вносимые каналами;
• количество промежуточных транзитных узлов;
• надежность каналов и транзитных узлов.
22

23. Выбор маршрута

Узел-отправитель
Транзитный узел
10 Мб/с
Транзитный узел
100 Мб/с
100 Мб/с
Узел-получатель
Альтернативные маршруты:
2–1–5–4
2–1–8–5-4
23

24. Продвижение данных

Продвижение данных — это распознавание потоков и
локальная коммутация на каждом транзитном узле
Выделить признак
потока
Признак
потока P
Интерфейс
M
A
L
A
N
B
K
C
……
…….
N
Сравнить с признаком
Р в очередной строке
таблицы коммутации
Нет
Совпадение
P=N?
Таблица
коммутации
Коммутатор
Да
Определить
соответствующий
интерфейс
B
Передать данные
на интерфейс B
Алгоритм работы коммутатора
A
B
C
Потоки данных с признаками M, L, N, K, ….
24

25. Продвижение данных на основе таблицы коммутации

Таблица коммутации узла 1
2
7
A
D
1
B
C
9
6
4
5
8
3
10
11
Признак
(адрес)
Интерфейс
2
A
3
B
4
B
5
B
6
C
7
D
8
C
9
C
10
B
11
C

26. Коммутационная сеть

Транзитные узлы, предназначенные только для
коммутации образуют коммутационную сеть
26

27. Мультиплексирование и демультиплексирование

Задача демультиплексирования (demultiplexing) — разделение
суммарного агрегированного потока, поступающего на один
интерфейс, на несколько составляющих потоков.
Задача мультиплексирования (multiplexing) — образование из
нескольких отдельных потоков общего агрегированного потока,
который можно передавать по одному физическому каналу связи.
27

До сих пор мы рассматривали вырожденную сеть, состоящую всего из двух машин. При объединении в сеть большего числа компьютеров возникает целый комплекс новых про­блем.

Топология физических связей

Объединяя в сеть несколько (больше двух) компьютеров, необходимо решить, каким об­разом соединить их друг с другом, другими словами, выбрать конфигурацию физических связей, или топологию.

Под топологией сети понимается конфигурация графа, вершинам которого соответствуют конечные узлы сети (например, компьютеры) и коммуникационное оборудование (например, маршрутизаторы), а ребрам - физические или информационные связи между вершинами.

Число возможных вариантов конфигурации резко возрастает при увеличении числа связы­ваемых устройств. Так, если три компьютера мы можем связать двумя способами (рис. 2.9, а), то для четырех можно предложить уже шесть топологически разных конфигураций (при условии неразличимости компьютеров), что и иллюстрирует рис. 2.9, б.


Рис. 2.9. Варианты связи компьютеров

От выбора топологии связей существенно зависят характеристики сети. Например, нали­чие между узлами нескольких путей повышает надежность сети и делает возможным рас­пределение загрузки между отдельными каналами. Простота присоединения новых узлов, свойственная некоторым топологиям, делает сеть легко расширяемой. Экономические соображения часто приводят к выбору топологий, для которых характерна минимальная суммарная длина линий связи.

Среди множества возможных конфигураций различают полносвязные и неполно­связные.

Полносвязная топология (рис. 2.10, а) соответствует сети, в которой каждый компьютер непосредственно связан со всеми остальными. Несмотря на логическую простоту, этот ва­риант оказывается громоздким и неэффективным. Действительно, в таком случае 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 физическая линия связи. (В некоторых случаях даже две, если невозможно использование этой линии для двусторонней передачи.) Полно­связные топологии в крупных сетях применяются редко, так как для связи N узлов требу­ется N(N - 1)/2 физических дуплексных линий связей, то есть имеет место квадратичная зависимость от числа узлов. Чаще этот вид топологии используется в многомашинных комплексах или в сетях, объединяющих небольшое количество компьютеров.


Рис. 2.10. Типовые топологии сетей

Все другие варианты основаны на неполносвязных топологиях, когда для обмена данны­ми между двумя компьютерами может потребоваться транзитная передача данных через другие узлы сети.

Ячеистая топология [5] получается из полносвязной путем удаления некоторых связей (рис. 2.10, б). Ячеистая топология допускает соединение большого количества компьютеров и характерна, как правило, для крупных сетей.

В сетях с кольцевой топологией (рис. 2.10, в) данные передаются по кольцу от одного ком­пьютера к другому. Главным достоинством кольца является то, что оно по своей природе обеспечивает резервирование связей. Действительно, любая пара узлов соединена здесь дву­мя путями — по часовой стрелке и против нее. Кроме того, кольцо представляет собой очень удобную конфигурацию для организации обратной связи — данные, сделав полный оборот, возвращаются к узлу-источнику. Поэтому источник может контролировать процесс достав­ки данных адресату. Часто это свойство кольца используется для тестирования связности сети и поиска узла, работающего некорректно. В то же время в сетях с кольцевой топологи­ей необходимо принимать специальные меры, чтобы в случае выхода из строя или отключе­ния какого-либо компьютера не прерывался канал связи между остальными узлами кольца.

Звездообразная топология (рис. 2.10, г) образуется в случае, когда каждый компьютер подключается непосредственно к общему центральному устройству, называемому кон­центратором [6] . В функции концентратора входит направление передаваемой компьютером информации одному или всем остальным компьютерам сети. В качестве концентратора может выступать как универсальный компьютер, так и специализированное устройство. К недостаткам звездообразной топологии относится более высокая стоимость сетевого оборудования из-за необходимости приобретения специализированного центрального устройства. Кроме того, возможности по наращиванию количества узлов в сети ограни­чиваются количеством портов концентратора.

Иногда имеет смысл строить сеть с использованием нескольких концентраторов, иерар­хически соединенных между собой звездообразными связями (рис. 2.10, д). Получаемую в результате структуру называют иерархической звездой, или деревом.В настоящее время дерево является самой распространенной топологией связей как в локальных, так и глобальных сетях.

Особым частным случаем звезды является общая шина (рис. 2.10, е). Здесь в качестве центрального элемента выступает пассивный кабель, к которому по схеме «монтажного ИЛИ» подключается несколько компьютеров (такую же топологию имеют многие сети, использующие беспроводную связь — роль общей шины здесь играет общая радиосреда). Передаваемая информация распространяется по кабелю и доступна одновременно всем компьютерам, присоединенным к этому кабелю. Основными преимуществами такой схемы являются ее дешевизна и простота присоединения новых узлов к сети, а недостат­ками — низкая надежность (любой дефект кабеля полностью парализует всю сеть) и не­высокая производительность (в каждый момент времени только один компьютер может передавать данные по сети, поэтому пропускная способность делится здесь между всеми узлами сети).

В то время как небольшие сети, как правило, имеют типовую топологию — звезда, кольцо или общая шина, 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 (рис. 2.11).


Рис. 2.11. Смешанная топология

Адресация узлов сети

Еще одной новой проблемой, которую нужно учитывать при объединении трех и более компьютеров, является проблема их адресации, точнее адресации их сетевых интерфейсов[7]. Один компьютер может иметь несколько сетевых интерфейсов. Например, для создания полносвязной структуры из N компьютеров необходимо, чтобы у каждого из них имелся N- 1 интерфейс.

По количеству адресуемых интерфейсов адреса можно классифицировать следующим образом:

§ уникальный адрес (unicast) используется для идентификации отдельных интерфей­сов;

§ групповой адрес (multicast) идентифицирует сразу несколько интерфейсов, поэтому данные, помеченные групповым адресом, доставляются каждому из узлов, входящих в группу;

§ данные, направленные по широковещательному адресу (broadcast), должны быть до­ставлены всем узлам сети;

§ адрес произвольной рассылки (anycast), определенный в новой версии протокола IPv6, так же, как и групповой адрес, задает группу адресов, однако данные, посланные по это­му адресу, должны быть доставлены не всем адресам данной группы, а любому из них.

Множество всех адресов, которые являются допустимыми в рамках некоторой схемы адресации, называется адресным пространством.

Адресное пространство может иметь плоскую (линейную) организацию (рис. 2.12) или иерархическую организацию (рис. 2.13).

При плоской организации множество адресов никак не структурировано. Примером пло­ского числового адреса является МАС-адрес, предназначенный для однозначной иденти­фикации сетевых интерфейсов в локальных сетях. Такой адрес обычно используется только аппаратурой, поэтому его стараются сделать по возможности компактным и записывают в виде двоичного или шестнадцатеричного числа, например 0081005е24а8. При задании

МАС-адресов не требуется выполнение ручной работы, так как они обычно встраиваются в аппаратуру компанией-изготовителем, поэтому их называют также аппаратными адреса­ми (hardware address). Использование плоских адресов является жестким решением — при замене аппаратуры, например сетевого адаптера, изменяется и адрес сетевого интерфейса компьютера.


Рис. 2.13. Иерархическая организация адресного пространства

При иерархической организации адресное пространство структурируется в виде вложен­ных друг в друга подгрупп, которые, последовательно сужая адресуемую область, в конце концов, определяют отдельный сетевой интерфейс.

В показанной на рис. 2.13 трехуровневой структуре адресного пространства адрес конечно­го узла задается тремя составляющими: идентификатором группы (K), в которую входит данный узел, идентификатором подгруппы (L) и, наконец, идентификатором узла (n), однозначно определяющим его в подгруппе. Иерархическая адресация во многих случаях оказывается более рациональной, чем плоская. В больших сетях, состоящих из многих тысяч узлов, использование плоских адресов приводит к большим издержкам — конечным узлам и коммуникационному оборудованию приходится оперировать таблицами адре­сов, состоящими из тысяч записей. В противоположность этому иерархическая система адресации позволяет при перемещении данных до определенного момента пользоваться только старшей составляющей адреса (например, идентификатором группы K), затем для дальнейшей локализации адресата задействовать следующую по старшинству часть (L) и в конечном счете — младшую часть (п).

При централизованном подходе в сети выделяется один или несколько компьютеров (сер­веров имен), в которых хранится таблица соответствия имен различных типов, например символьных имен и числовых адресов. Все остальные компьютеры обращаются к серверу имен с запросами, чтобы по символьному имени найти числовой номер необходимого компьютера.

До сих пор мы говорили об адресах сетевых интерфейсов, компьютеров и коммуникаци­онных устройств, однако конечной целью данных, пересылаемых по сети, являются не сетевые интерфейсы или компьютеры, а выполняемые на этих устройствах программы — процессы. Поэтому в адресе назначения наряду с информацией, идентифицирующей интерфейс устройства, должен указываться адрес процесса, которому предназначены посылаемые по сети данные. Очевидно, что достаточно обеспечить уникальность адреса процесса в пределах компьютера. Примером адресов процессов являются номера портов TCP и UDP, используемые в стеке TCP/IP.

Коммутация

Итак, пусть компьютеры физически связаны между собой в соответствии с некоторой топологией и выбрана система адресации. Остается нерешенной самая важная проблема: каким способом передавать данные между конечными узлами? Особую сложность при­обретает эта задача для неполносвязной топологии сети, когда обмен данными между произвольной парой конечных узлов (пользователей) должен идти в общем случае через транзитные узлы.

Соединение конечных узлов через сеть транзитных узлов называется коммутацией. Последовательность узлов, лежащих на пути от отправителя к получателю образуют маршрут.

Например, в сети, показанной на рис. 2.14, узлы 2 и 4, непосредственно между собой не свя­занные, вынуждены передавать данные через транзитные узлы, в качестве которых могут выступить, например, узлы 1 и 5. Узел 1 должен выполнить передачу данных между своими интерфейсами А и В, а узел 5 — между интерфейсами F и В. В данном случае маршрутом является последовательность: 2-1-5-4, где 2 — узел-отправитель, 1 и 5 — транзитные узлы, 4 — узел-получатель.

Читайте также: