1.3.2. Логическая структуризация сетей эвм
Физическая структуризация не позволяет решать в полной мере проблемы, связанные с построением и функционированием больших многоуровневых и составных сетей ЭВМ. Наиболее важной проблемой, не решаемой путем физической структуризации, остается проблема перераспределения передаваемого трафика между различными физическими сегментами сети.
На рис. 1.13, а приведена структурная схема составной сети, построенной на основе концентраторов (физической структуризации). В такой сети при информационном обмене между любой парой абонентских систем (предположим между абонентскими системами А и В сегмента 1) концентраторы распространяют любой информационный кадр по всем ее сегментам. Поэтому кадр, посылаемый абонентской системой А абонентской системе В, хотя и не нужен абонентским системам сегментов 2 и 3, в соответствии с логикой работы концентраторов, поступает на эти сегменты тоже. И до тех пор, пока АСВ не получит адресованный ей кадр, ни одна из абонентских систем этой сети не сможет передавать данные.
Такая ситуация возникает из-за того, что логическая структура сети после ее физической структуризации остается неизменной ‑ она никак не учитывает интенсивность трафика внутри сегментов и предоставляет всем парам абонентских систем равные возможности по обмену информацией (рис. 1.13, б).
Рис. 1.13. Противоречие между логической структурой сети и информационными потоками: а ‑ физическая структуризация с помощью концентраторов; б ‑ логическая структура сети
Данная проблема может быть решена путем логической структуризации сети.
Логическая структуризация сети ‑ это разбиение сети на сегменты с локализованным трафиком.
Под локализацией трафика понимается распространение трафика, предназначенного для абонентских систем конкретного сегмента сети, только в пределах этого сегмента.
Локализация трафика позволяет значительно повысить общую эффективность сети, так как позволяет организовать информационный обмен одновременно внутри всех сегментов сети.
Для логической структуризации сети используются специальные коммуникационные устройства, такие как мосты, коммутаторы, маршрутизаторы и шлюзы.
Мост (Bridge) делит сеть на логические сегменты. Адреса абонентских систем внутри одного сегмента принадлежат заданному диапазону. Передача информации из одного сегмента сети в другой возможна лишь при условии, если адресуемая абонентская система принадлежит другому логическому сегменту, т.е. мост изолирует трафики логических сегментов друг от друга, повышая общую производительность передачи данных в сети. Одновременно мост может обеспечивать информационный обмен только между двумя сегментами сети.
Локализация трафика также снижает вероятность несанкционированного доступа к передаваемым по сети данным, так как кадры не выходят за пределы своего сегмента и их сложнее перехватить злоумышленнику.
На рис. 1.14 показана логическая структуризация сети с помощью моста. Абонентская система А (сегмент 1) передает информационный кадр абонентской системе В (сегмент 2).
Коммутатор (Switch) по принципу обработки информационных кадров полностью аналогичен мосту. Основное его отличие от моста состоит в том, что он способен осуществлять информационный обмен одновременно между несколькими парами логических сегментов сети, так как 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.
Рис. 1.14. Логическая структуризация сети с помощью моста
Маршрутизатор (Router) ‑ коммуникационное устройство с расширенными интеллектуальными возможностями по сравнению с мостами и коммутаторами. Маршрутизаторы реализуют более эффективные методы разграничения трафика отдельных логических сегментов сети. Это достигается за счет использования составных числовых адресов и явной адресации логических сегментов сети (рис. 1.15).
Рис. 1.15. Структура составного адреса
Кроме локализации трафика маршрутизаторы способны выполнять еще ряд задач, наиболее важными из которых являются выбор из нескольких возможных маршрутов, наиболее рационального маршрута передачи информационного кадра и организации взаимодействия сегментов сети, реализованных на основе различных сетевых технологий.
Логическая структуризация сети с помощью маршрутизаторов представлена на рис. 1.16. Особенностью данной сети является наличие дополнительной связи между сегментами 1 и 2, которая может благодаря наличию маршрутизаторов использоваться как для повышения производительности сети, так и для повышения ее надежности. В данной сети информационный обмен осуществляется одновременно между двумя парами абонентских систем А и В, С и D.
Рис. 1.16. Логическая структуризация сети с помощью маршрутизатора
Коммуникационные устройства шлюзы (Gateway) также способны локализовывать трафик и логически структурировать сети, однако основное их предназначение ‑ объединять сети с разными типами системного и прикладного программного обеспечения.
Крупные сети практически никогда не строятся без физической и логической структуризации. Для отдельных сегментов и подсетей характерны типовые однородные топологии базовых технологий, и для их объединения всегда используется оборудование, обеспечивающее локализацию трафика, а именно: мосты, коммутаторы, маршрутизаторы, шлюзы и т.п.
1.3 Логическая и физическая структуры вычислительной сети
Логическая структура вычислительной сети состоит в том, что сетевая операционная система связывает все компьютеры и периферийные устройства в сети, координирует функции всех компьютеров и периферийных устройств в сети, обеспечивает защищённый доступ к данным и периферийным устройствам в сети. Сетевое программное обеспечение состоит из двух важнейших компонентов:
1) Сетевого программного обеспечения, устанавливаемого на компьютерах— клиентах.
2) Сетевого программного обеспечения, устанавливаемого на компьютерах- серверах.
Мосты, шлюзы, репитеры и маршрутизаторы.
Мосты и шлюзы, а также репитеры и маршрутизаторы это такие компоненты, которые служат для расширения сетей. С помощью них можно сегментировать локальные сети так, что каждый сегмент становится самостоятельной локальной сетью, объединять две локальные сети в одну, подключать сеть к другим сетям и компьютерным средам для объединения их в большую разнородную систему.
· Репитер восстанавливает ослабленные сигналы, он принимает затухающий сигнал из одного сегмента, восстанавливает его и передаёт в следующий сегмент. Для того чтобы данные через репитер поступали из одного сегмента в другой, каждый сегмент должен использовать одинаковые пакеты и протоколы. Другими словами, они не могут транслировать пакеты Ethernet в пакеты Token Ring. Но репитеры могут передавать пакеты из одного типа физического носителя в другой. Если репитер имеет соответствующие разъёмы, он примет пакет Ethernet, приходящий из сегмента на коаксиальном кабеле, и передаст его в сегмент на оптоволокне. Применение репитеров оправдано, когда при расширении сети необходимо преодолеть ограничения по длине сегмента или по количеству узлов.
· Мост, как и репитер, может соединять сегменты или вокальные сети рабочих групп. Но в отличие от репитера, мост также служит для разбиения сети, что помогает изолировать трафик.
Мосты решают следующие задачи:
— Увеличивают максимальное количество компьютеров в сети.
— Разбивают перегруженную сеть на отдельные сегменты с уменьшенным трафиком. В итоге каждая подсеть работает более эффективно.
— Соединяют разнородные физические носители, такие, как витая пара и коаксиальный кабель.
— Соединяют разнородные сегменты сети, например Ethernet и Token Ring, и переносят между ними пакеты.
Мосты допускают использование в сети всех протоколов, не отличая при этом один протокол от другого. Поскольку любые протоколы могут работать через мосты, каждый компьютер должен определять, с какими протоколами он работает.
Мост выполняет следующие действия:
— Проверяет адреса источника и получателя каждого пакета.
— Строит таблицу маршрутизации.
Передача пакетов осуществляется следующим образом:
если адресат не указан в таблице маршрутизации, мост передаёт пакет во все сегменты. Если адресат указан в таблице, мост передает пакет в этот сегмент (если сегмент получателя не совпадает с сегментом источника). Мосты изучают, куда следует направить данные. Когда пакеты передаются через мост, данные об адресах компьютеров сохраняются в оперативной памяти моста. Он использует эти данные для построения таблицы маршрутизации. В начале работы таблица пуста. С целью соединения двух локальных сетей, расположенных на значительном расстоянии друг от друга также используются два удалённых моста, которые подключают через синхронные модемы к выделенной телефонной линии.
· Маршрутизаторы. В среде, объединяющей несколько сетевых сегментов с различными протоколами и архитектурами, мосты не всегда гарантируют быструю связь между всеми сегментами. Для такой сложной сети необходимо устройство, которое не только знает адрес каждого сегмента, но и определяет наилучший маршрут для передачи данных и фильтрует широковещательные сообщения. Такое устройство называется маршрутизатором.
Маршрутизаторы могут выполнять следующие функции мостов:
— фильтровать и изолировать трафик.
Однако маршрутизаторам доступно больше информации, чем мостам, и они используют её для оптимизации доставки пакетов. Принцип работы его заключается в том, что строится таблица маршрутизации, которая содержит сетевые адреса. Для каждого протокола, используемого в сети, строится своя таблица. Таблица помогает маршрутизатору определить адреса назначения для поступающих данных. Она включает следующую информацию:
— Все известные сетевые адреса.
— Способы связи с другими сетями.
— Возможные пути между маршрутизаторами.
— Стоимость передачи данных по этим путям.
Важное отличие маршрутизатора и моста в том, что таблица маршрутизации моста содержит адреса удалённых компьютеров, а таблица маршрутизации маршрутизатора содержит только номера сетей. Маршрутизаторы взаимодействуют с другими маршрутизаторами, а не с удалёнными компьютерами.
Воспринимая только адресованные сетевые пакеты, маршрутизаторы фильтруют некорректные данные и широковещательные пакеты, тем самым, уменьшая нагрузку на сеть. Адрес узда назначения маршрутизаторы не проверяют, они смотрят только на адрес сети и могут прослушивать сеть и определять, какие её части сильнее загружены. Маршрутизатор также устанавливает количество транзитов между сегментами сети.
Используя эту информацию, он выбирает маршрут передачи данных. Если один путь перегружен, он укажет альтернативный.
Маршрутизаторы подразделяются на два основных типа.
Они требуют, чтобы администратор вручную создал и сконфигурировал таблицу маршрутизации, а также указал каждый маршрут.
Они автоматически определяют маршруты и поэтому требуют минимальной настройки и конфигурирования, динамические маршрутизаторы сложнее статических, так как анализируют информацию от других маршрутизаторов и для каждого пакета принимают отдельное решение о маршруте передачи через сеть.
· Шлюзы. Шлюзы обеспечивают связь между различными архитектурами и средами. Они переупаковывают и преобразуют данные, передаваемые из одной среды в другую, чтобы каждая среда могла понимать данные других сред. Шлюз в частности переупаковывает информацию в соответствии с требованиями системы назначения, изменяет формат сообщения, чтобы прикладная программа на принимающей стороне могла распознать данные.
Шлюз связывает две системы, которые используют разные:
— Структуры и форматы данных
Шлюзы создаются для выполнения конкретного типа задач, т.е. для конкретного типа преобразования данных. Шлюз принимает данные из одной среды, удаляет старый протокольный стек и переупаковывает их в протокольный стек системы назначения.
Обрабатывая данные, шлюз выполняет следующие операции:
— Извлекает данные из приходящих пакетов, пропуская их снизу вверх через полный стек протоколов передающей сети.
— Заново упаковывает полученные данные, пропуская сверху вниз через стек протоколов сети назначения.
Главное назначение шлюзов — осуществлять связь между персональными компьютерами и средой мэйнфреймов. В локальной сети один компьютер обычно выделяется на роль шлюза. Прикладные программы на настольных компьютерах через компьютер-шлюз получают доступ к мэйнфрейму. Таким образом, пользователи могут работать с ресурсами мэйнфрейма так же просто, как будто эти ресурсы принадлежат их собственным компьютерам.