Общие принципы построения компьютерных сетей и основные определения
Под термином «Сеть» будем понимать систему связи со многими источниками и/или получателями сообщений. Места, где пути распространения сигналов в сети разветвляются или оканчиваются, называются узлами сети.
Компьютерная сеть– это сеть, в которой источниками и получателями сообщений являются компьютеры. Можно назвать несколько близких понятий, а именно, — вычислительная сеть, сеть передачи данных, распределённая система, различие между которыми определяется акцентами.
Классификация компьютерных сетей
Компьютерные сети как сложные и многопрофильные объекты принято классифицировать, исходя из разных точек зрения. Наиболее популярными являются следующие принципы классификации:
По «диаметру», т. е. расстоянию между наиболее удалённым узлами сети:
Сотни метров — LAN (Local Area Network) или ЛВС (Локальная Вычислительная Сеть);
Километры — MAN/CAN (Metropolitan/Campus Area Network) или РВС (Региональная Вычислительная Сеть);
Сотни и тысячи километров — WAN (Wide Area Network) или ГВС (Глобальная Вычислительная Сеть).
Поскольку современные компьютерные сети практически всегда имеют выход в глобальную сеть Internet, классификация сетей по этому принципу носит довольно условный характер.
По физической топологии(звезда, кольцо, общая шина, сотовая, иерархическая (древовидная), комбинированная), показывающей физическое соединение линий связи между узлами сети.
По логической топологии(звезда, кольцо, общая шина), показывающей способ обмена сигналами.
Физическая и логическая топологии слабо связаны между собой. Например, популярной технологии Ethernet на витой паре соответствует физическая топология звезда и логическая топология общая шина.
По виду кабельной системы– витая пара, оптический кабель, коаксиальный кабель, беспроводные сети.
По способу организации соединения и передачи информациисети делятся на сети с коммутацией
- каналов (например, телефонная сеть общего пользования),
- сообщений (информация перемещается от узла к узлу целиком)
- пакетов (пакеты внутри сети перемещаются независимо друг от друга и собираются целиком в узле назначения).
- одноранговые (все компьютеры могут быть и источниками и потребителями ресурсов сети),
- клиент – сервер (выделенные компьютеры являются источниками ресурсов – серверами, а остальные – клиентами, т. е. потребителями ресурсов).
Международные организации. Модель osi
Глобальность охвата и интернациональный характер развития компьютерных сетей делает роль международных организаций в вопросах стандартизации определяющей. При этом, в большинстве случаев, принимаемые стандарты носят характер рекомендаций, однако «де факто» становятся обязательными и соблюдаются всеми производителями сетевого оборудования и программного обеспечения. Механизм создания рекомендаций, кроме собственных разработок, включает в себя и рассмотрение инициативных предложений крупных компаний, самостоятельно разрабатывающих и продвигающих те или иные сетевые технологии. Отличительной чертой рекомендация является их непрерывная модернизация, отслеживающая новейшие достижения в этой области. Наиболее авторитетными организациями в области сетевых технологий являются: ITU-T(International Telecommunications Union sector Telecommunication) Международный союз электросвязи, сектор телекоммуникаций. До 1993 года организация называлась CCITT (Consultative Committee for International Telephone and telegraphy), или в русском переводе МККТТ (Международный Консультативный Комитет по Телефонии и Телеграфии). Кроме сектора Т (Telecommunication), важными являются секторы R (распределения радиочастот) и D (развития). ISO (International Organization for Standardization) Международная организация по стандартизации. Эта организация объединяет национальные институты стандартов из 89 стран (ANSI — США, DIN – Германия, BSI – Великобритания и др.). IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике – национальный «профсоюз» «электрических» учёных и инженеров США. Модель OSI (Open System Interconnection) — взаимодействия открытых систем была опубликована в 1983 г. по результатам совместных работ ISO и ITU-T. Согласно этой модели все процессы в сетях рассматриваются на семи (поэтому модель иногда называют «семиуровневой») относительно независимых уровнях для наилучшей реализации на каждом уровне по отдельности. Обмен данными между двумя компьютерами в сети согласно семиуровневой модели иллюстрирует рисунок 1.2.1. Рис. 1.2.1. Модель OSI. На этом рисунке использованы следующие обозначения: AH (application header) заголовок прикладного уровня, PH (presentation) – заголовок уровня представлений, SH (session) – заголовок сеансового уровня, TH (transport) – заголовок транспортного уровня, NH (network) – заголовок сетевого уровня, DH (data link) – заголовок канального уровня, DT (data link tail) – хвостовик кадра канального уровня. Основной принцип построения модели, обеспечивающий независимость уровней, состоит в том, что пакет вышележащего уровня на нижележащем уровне рассматривается как данные, а вся необходимая для работы информация добавляется в виде заголовка/хвостовика. При невозможности формирования пакета на нижележащем уровне из-за ограничений на размер пакета используется фрагментация (дробление) пакетов. Пример фрагментации показан на рисунке 1.2.2, где для обозначения данных используется буква M (message), заголовка – H (header) и хвостовика – T (tail). Рис. 1.2.2. Фрагментация. На узлах внутри сети действуют три нижних уровня, как это показано на рисунке 1.2.3, где PDU (protocol data unit) означает пакет протокола соответствующего уровня. При описании сетей принято использовать следующие термины: Протокол – правило, определяющее состав пакета и последовательность действий на соответствующем уровне. Интерфейс – способ передачи данных с уровня на уровень. Стек протоколов – упорядоченная совокупность протоколов нескольких уровней. Служба (service) отличается от протокола тем, что оговаривается только результат без подробной регламентации процесса выполнения. Технология чаще всего используется для обозначения протоколов нижних уровней (физического и канального), например, Ethernet или АТМ. Инкапсуляция— преобразование пакета верхнего уровня одного стека в пакет нижнего уровня другого стека, например, при использовании IP поверх ATM. Основные задачи уровней: Физический(Physical) – стандартизация электрических и временных характеристик сигналов, физических параметров линий связи и разъёмов. Канальный(Data Link) – доставка пакета на следующий узел сети (адресация, обнаружение/исправление ошибок). Сетевой (Network) – доставка пакета в узел назначения (адресация, маршрутизация, проверка целостности данных). Транспортный(Transport) – сборка всех пакетов в узле назначения. Сеансовый(Session) – идентификация, начало/окончание сеанса передачи, аварийные режимы. Представлений(Presentation) – преобразование данных к удобному для передачи по сети виду (например, шифрование данных по протоколу SSL (Secure Socket Layer)). Прикладной(Application) – организация доступа к ресурсам сети. Например, получение файла – FTP (File Transfer Protocol), доступ к терминалу – Telnet и пр.
4. Общие принципы построения вычислительных сетей.
Вычислительная сеть — это совокупность компьютеров, соединенных линиями связи. Линии связи образованы кабелями, сетевыми адаптерами и другими коммуникационными устройствами. Все сетевое оборудование работает под управлением системного и прикладного программного обеспечения.
Основная цель сети — обеспечить пользователям сети потенциальную возможность совместного использования ресурсов всех компьютеров.
Вычислительная сеть — это одна из разновидностей распределенных систем, достоинством которых является возможность распараллеливания вычислений, за счет чего может быть достигнуто повышение производительности и отказоустойчивости системы.
5. Локальные и глобальные сети
Локальные сети Local Area Network (LAN) — сети компьютеров, сосредоточенных на небольшой территории (обычно в радиусе не более 1-2 км).
В общем случае локальная сеть представляет собой коммуникационную систему, принадлежащую одной организации.
Поскольку в локальные сети имеют короткие расстояния между компьютерами, то рациональнее использовать относительно дорогие, но высококачественные линии связи. Такие линии оправдают затраты поскольку позволят простыми методами передачи данных достигнуть высоких скоростей обмена данными по 100 Мбит/с. В виду этого, услуги локальной сети, которые весьма отличаются своим разнообразием, обычно сразу предусматривают режим работы on-line (режим реального времени).
Глобальные сети — Wide Area Network (WAN) — сеть, которая объединяет территориально рассредоточенные компьютеры, которые могут находиться в различных городах и даже странах.
В глобальных сетях, конечно, не развернешься на покупку дорогих высококачественных линий связи. Поэтому чаще всего используются уже существующие линий связи, изначально предназначенные совсем для других целей. Например, многие глобальные сети строятся на основе телефонных и телеграфных каналов общего назначения. Но такие линии имеют существенно ниже скорости (десятки килобит в секунду), поэтому и услуги глобальной сети обычно не предусматривают передачу файлов в реальном времени, а только в фоном режиме (of-line) с использованием электронной почты. Как мы уже говорили в предыдущем разделе, надежность и устойчивость передачи дискретных данных в глобальных сетях (которым приходится использовать некачественные линии связи) обеспечивают специальные методы и оборудование, которые существенно отличаются от тех методов и оборудования локальных сетей.
6. Требования, предъявляемые к современным вычислительным сетям.
Потенциально высокая производительность — это одно из основных свойств распределенных систем, к которым относятся компьютерные сети. Это свойство обеспечивается возможностью распараллеливания работ между несколькими компьютерами сети. К сожалению, эту возможность не всегда удается реализовать. Существует несколько основных характеристик производительности сети:
— задержка передачи и вариация задержки передачи.
2. Надежность и безопасность
3. Расширяемость и масштабируемость
Расширяемость (extensibility) означает возможность сравнительно легкого добавления отдельных элементов сети (пользователей, компьютеров, приложений, служб), наращивания длины сегментов сети и замены существующей аппаратуры более мощной.
Масштабируемость (scalability) означает, что сеть позволяет наращивать количество узлов и протяженность связей в очень широких пределах, при этом производительность сети не ухудшается.
Прозрачность (transparency) сети достигается в том случае, когда сеть представляется пользователям не как множество отдельных компьютеров, связанных между собой сложной системой кабелей, а как единая традиционная вычислительная машина с системой разделения времени.
5. Поддержка разных видов трафика
Управляемость сети подразумевает возможность централизованно контролировать состояние основных элементов сети, выявлять и разрешать проблемы, возникающие при работе сети, выполнять анализ производительности и планировать развитие сети.
Совместимость или интегрируемость означает, что сеть способна включать в себя самое разнообразное программное и аппаратное обеспечение, то есть в ней могут сосуществовать различные операционные системы, поддерживающие разные стеки коммуникационных протоколов, и работать аппаратные средства и приложения от разных производителей.