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.
Технологии компьютерных сетей. 3.1 Подходы к проектированию компьютерных сетей
Стандартизация в компьютерных сетях приобретает особое значение. Сети – это соединение разного оборудования, и проблема совместимости является одной из наиболее острых. Без принятия всеми производителями общепринятых правил построения оборудования функционирование сетей было бы невозможным. В компьютерных сетях основой стандартизации является многоуровневый подход (черный ящик) к разработке средств сетевого взаимодействия.
Разбиение на уровни, или уровневая архитектура, является формой функциональной модульности при проектировании информационных сетей. Модуль используется для обозначения как устройства, так и процесса и выполняет некоторую выделенную функцию. Пользователя интересуют только входы, выходы и функциональная связь между входом и выходом. Модуль используется вместе с другими черными ящиками для построения более сложного модуля, который будет опять рассматриваться на более высоких уровнях как большой черный ящик.
Такой подход к проектированию приводит к иерархии вложенных модулей. Поэтому сложная система должна быть построена как взаимосвязанное множество модулей высокого уровня и, возможно, некоторых простых дополнительных модулей, необходимых для реализации взаимосвязей и выполнения дополнительных простых функций. Каждый модуль следующего, более низкого, уровня снова разбивается на модули еще более низкого уровня и так далее до самого низкого уровня иерархической цепи.
В простейшем случае черный ящик состоит из двух паритетных процессов (по одному на каждый из двух узлов) и черного ящика, который находится на более низком уровне и представляет систему связи, соединяющей эти два паритетных процесса. Каждый процесс передает сообщение паритетному процессу в другом узле по нижнему уровню (рис. 3.1).
Рис. 3.1. Паритетные процессы в черном ящике, представляющем систему
Процесс передачи информации между двумя паритетными модулями уровня n, принадлежащими разным узлам, имеет два совершенно различных аспекта. Первый – это уровневые протоколы (правила), с помощью которых паритетные модули обмениваются сообщениями для обеспечения требуемого обслуживания более верхних модулей. Второй – это описание точного интерфейса между модулем уровня n некоторого узла и модулем уровня n-1 того же узла. Через этот интерфейс происходит фактический обмен указанными сообщениями между уровнем n и черным ящиком – системой связи более низкого уровня.
Концепции уровневых (сетевых) протоколов развивались в течение последних 15 лет и были направлены на решение следующих задач:
— обеспечить логическую декомпозицию сложной сети на меньшие, более понятные части (уровни);
— обеспечить стандартные интерфейсы между сетевыми функциями, например стандартные интерфейсы между модулями программного обеспечения;
— обеспечить симметрию в отношении функций, реализуемых в каждом узле сети. Каждый уровень в некотором узле сети выполняет те же функции, какие выполняются аналогичным уровнем в другом узле;
— обеспечить средства предсказания изменений и управления изменениями, которые могут быть внесены в сетевую логику (программное обеспечение или микропрограммы);
— обеспечить простой стандартный язык коммуникации разработчиков сетей, администраторов, фирм-поставщиков и пользователей, используемый при обсуждении сетевых функций [6].
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, также взаимодействуют друг с другом в соответствии с четко определенными условиями и с помощью стандартизованных форматов сообщений. Эти условия принято называть интерфейсом. Интерфейс определяет набор сервисов, предоставляемый данным уровнем соседнему уровню. Средства каждого уровня должны отрабатывать, во-первых, свой собственный протокол, во-вторых, интерфейсы с соседними уровнями.
Иерархически организованный набор протоколов, достаточный для организации взаимодействия узлов в сети, называется стеком коммуникационных протоколов. Коммуникационные протоколы могут быть реализованы как программно, так и аппаратно. Протоколы нижних уровней часто реализуются комбинацией программных и аппаратных средств, а протоколы верхних уровней, как правило, только программными средствами.
Протоколы реализуются не только компьютерами, но и другими сетевыми устройствами-концентраторами, мостами, коммутаторами, маршрутизаторами и т.д. В общем случае связь компьютеров в сети осуществляется не напрямую, а через различные коммуникационные средства. В зависимости от типа устройства в нем должны быть встроенные средства, реализующие тот или иной набор протоколов.