Применение локальных вычислительных сетей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Сегодня вычислительные сети продолжают развиваться, причем достаточно быстро. Разрыв между локальными и глобальными сетями постоянно сокращается во многом из-за появления высокоскоростных территориальных каналов связи, не уступающих по качеству кабельным системам локальных сетей. В глобальных сетях появляются службы доступа к ресурсам, такие же удобные и прозрачные, как и службы локальных сетей.

В локальных сетях вместо соединяющего компьютеры пассивного кабеля в них в большом количестве появилось разнообразное коммуникационное оборудование - коммутаторы, маршрутизаторы, шлюзы. Благодаря такому оборудованию появилась возможность построения больших корпоративных сетей.

В настоящее время на предприятиях и в учреждениях нашли широкое применение локальные вычислительные сети, основное назначение которых обеспечить доступ к разделяемым или сетевым (общим, то есть совместно используемым) ресурсам, данным и программам. Кроме того, ЛВС позволяют сотрудникам предприятий оперативно обмениваться между собой информацией.

1. ЛВС

сеть программный топология локальный

Вычислительная сеть - ВС [network] - это совокупность ЭВМ, объединённых средствами передачи данных. Средства передачи данных в ВС в общем случае состоят из следующих элементов :

связных ЭВМ,

каналов связи (спутниковых, телефонных, волоконно-оптических)

коммутирующей аппаратуры и др.

Существуют различные варианты классификации компьютерных сетей.

1.Классификация по степени территориальной распределенности:

Глобальные сети (WAN) объединяют пользователей, расположенных по всему миру на значительном расстоянии друг от друга.

Региональные сети (MAN) объединяют пользователей города, области, небольших стран. Расстояния между узлами сети составляют 10-1000 км.

Локальные сети (LAN) ЭВМ связывают абонентов одного или нескольких близлежащих зданий одного предприятия или учреждения. Локальные сети могут иметь любую структуру, но чаще всего компьютеры в локальной сети связаны единым высокоскоростным каналом передачи данных.

2. Классификация сетей по назначению:

информационные;

транспортные;

банковские;

клиринговые;

корпоративные.

3. Классификация по соотношению узлов сети:

одноранговые - небольшие сети, где каждый узел может быть и клиентом и сервером;

распределенные сети - это сети без лидера, где сервером называется программа, устройство или машина, обеспечивающая сервис, но управляющая сетями;

сети с централизованным управлением - сети, основанная на сервере, который предоставляет права доступа к ресурсам для всех остальных узлов.

4. Классификация по пропускной способности:

низкоскоростные - до 10 Мбит\с;

среднескоростные - до 100 Мбит\с;

высокоскоростные - свыше 100 Мбит\с.

5. Классификация по топологии:

- с шинной топологией;

- с кольцевой топологией;

- звездообразные;

- древовидные;

- решетчатые и т.д.

6. Классификация по методу доступа:

- детерминированные (метод опроса, метод передачи права, метод кольцевых слотов);

- недетерминированные - множественный метод доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий (МДКН\ОК).

7. Классификация по среде передачи, используются для построения сетей:

- коаксиальный кабель;

- витая пара;

- радиорелейная линия;

- оптиковолоконный кабель.

Основными параметрами компьютерных сетей являются:

Скорость передачи данных по каналу связи измеряется количеством битов информации, передаваемых за единицу времени - секунду.

Единица измерения скорости передачи данных - бит в секунду.

Пропускная способность, которая оценивается количеством знаков, передаваемых по каналу за единицу времени - секунду. При этом в состав сообщения включаются и все служебные символы. Теоретическая пропускная способность определяется скоростью передачи данных.

Единица измерения пропускной способности канала связи - знак в секунду.

Достоверность передачи информации оценивают как отношение количества ошибочно переданных знаков к общему числу переданных знаков. Требуемый уровень достоверности должны обеспечивать как аппаратура, так и канал связи. Нецелесообразно использовать дорогостоящую аппаратуру, если относительно уровня достоверности канал связи не обеспечивает необходимых требований.

Единица измерения достоверности: количество ошибок на знак - ошибок/знак.

Надежность коммуникационной системы определяется либо долей времени исправного состояния, в общем, времени работы, либо средним временем безотказной работы.

2. Архитектура

Под архитектурой вычислительной сети принято понимать совокупность стандартов, топологий и протоколов, необходимых для ее функционирования.

Ранее уже отмечалось, что разработка стандартов локальных вычислительных сетей возложена на комитет 802 международного института IEEE, который почти за четверть века своего существования разработал и утвердил, по крайней мере, три наиболее распространенные на сегодняшний день стандартные архитектуры локальных вычислительных сетей (рис. 2.1):

- Ethernet - IEEЕ 802.3;

- Token bus-IEЕЕ 802.4;

- Token ring - IEЕЕ 802.5.

Рисунок 2.1. - Стандартные локальные вычислительные сети

Архитектура Ethernet - IEEE 802.3

Общая характеристика архитектуры сетей стандарта IEEЕ 802.3 такова:

- информационный блок - кадр;

- размер кадра - до 1518 байт (без учета преамбулы (8 байт) и завершителя кадра (1 байт);

- обмен кадрами - широковещательный с проверкой адресата;

- среда передачи - коаксиальный кабель (тонкий, толстый), витая пара (3,4, 5-й категории), оптоволоконный кабель;

- доступ к среде передачи - множественный доступ с обнаружением несущей (CSMA/CD);

- скорость передачи данных - 10-1000 Мбит/с;

- физическая топология - «шина», «звезда»;

- логическая топология - «шина»;

- размеры сетей - от нескольких метров до нескольких километров (при использовании повторителей).

В зависимости от среды передачи данных IEЕЕ 802.3 определяет несколько различных стандартов физических подключений локальных сетей, каждый из которых имеет наименование, в котором отражены такие его важнейшие характеристики:

- 1 Base5 - неэкранированная витая пара категории 2;

- 10Base5 - толстый коаксиальный кабель;

- 10Base2 - тонкий коаксиальный кабель;

- 10 Base-T - неэкранированная витая пара категории 3;

- 10 Base-F - волоконно-оптический кабель.

Высокоскоростные сети класса Ethernet (Fast Ethernet и Gigabit Ethernet) определены стандартами IEEE 802.3u и IEEE 802.3z соответственно. В первом случае различают варианты 100 мегабитовых сетей:

- 100Base-TX - 2 неэкранированные витые пары категории 5;

- 100Base-T4 - 4 неэкранированные витые пары категории 5;

- 100 Base-FX - волоконно-оптический кабель.

Для Gigabit Ethernet стандартом определены следующие стандартные физические подключения сети:

- 1000Base-SX - многомодовый волоконно-оптический кабель с длиной волны 830 нм;

- 1000Base-LX -- одномодовый (с длиной волны 1270 нм) или многомодовый волоконно-оптический кабель;

- 1000Base-CX-экранированная витая пара;

- 1000Base-T-неэкранированная витая пара категории 5.

2.1 Общая шина

Рисунок 2.2. Шинная топология

При использовании шинной топологии (рис.2.2.) компьютеры (РС - рабочая станция) соединяются в одну линию, на концах которой устанавливают терминаторы (заглушки). Терминаторы представляют собой резисторы, устанавливаемые на обоих концах сегмента для согласования волнового сопротивления кабеля. Сигнал, дошедший до конца сегмента, поглощается терминатором - это позволяет избавиться от паразитных отраженных сигналов в сети. Если терминаторы не устанавливать, отраженный от конца кабеля сигнал снова попадает в кабель - этот отраженный сигнал будет являться в данном случае помехой и может породить множество проблем вплоть до полной неработоспособности сети. Преимущества шинной топологии заключаются в простоте организации сети, низкой стоимости и в случае выхода из строя станции на работу сети это не влияет. Недостатком является низкая устойчивость к повреждениям - при любом обрыве кабеля вся сеть перестает работать, а поиск повреждения весьма затруднителен, небольшая дальность передачи, нельзя использовать разный тип кабеля на разных участках сети.

2.2 Топология Звезда

При использовании топологии "звезда"(рис.2.3.), каждый компьютер подключается к специальному концентратору (хабу). Преимуществом этой топологии является ее устойчивость к повреждениям кабеля - при обрыве перестает работать только один из узлов сети и поиск повреждения значительно упрощается

Рисунок 2.3. Топология «звезда»

Недостатком является более высокая стоимость из-за наличия HUB. В случае выхода из строя центрального узла, вся сеть перестает работать. Количество рабочих станций в этой схеме определяется конструкцией хаба.

2.3 Топология Кольцо

При топологии кольцо (рис.2.4.) узлы сети образуют виртуальное кольцо (концы кабеля соединены друг с другом). Каждый узел сети соединен с двумя соседними. Эту топологию активно продвигает фирма IBM (сети Token Ring). Преимуществом кольцевой топологии является ее высокая надежность (за счет избыточности), однако стоимость такой сети достаточно высока за счет расходов на адаптеры, кабели и дополнительные приспособления.

Данные между РС пересылаются по кольцу. Каждый ПК в кольце вынужден пересылать все данные, даже не адресованные конкретно этому ПК. Получается регенерация сигнала на каждом ПК, при которой сигнал усиливается и компенсируется его затухание. При этом размеры сети могут достигать нескольких десятков километров.

Недостатки:

Отказ в работе любой РС ведет к отказу сети.

Для настройки и переконфигурации одного ПК, придется отключать сеть.

Трудно поддерживать сеть, если кольцевая схема большая.



Рисунок 2.4.Топология кольцо

2.4 Смешанная топология

При смешанной топологии (рис.2.5.) в одной сети используются разные виды топологий, т. е. отдельные сегменты сети имеют разную топологию (общую шину, кольцо, звезду).

Рисунок 2.5. Смешанная топология

3. Типы организации локальных сетей

3.1 Одноранговые сети

При организации одноранговой сети, все ПК в сети равнозначны по отношению друг к другу и отсутствует выделенный сервер, т. е. ПК, управляющий работой всей сети в целом. Одноранговые сети позволяют любой рабочей станции функционировать одновременно в качестве сервера, если этого требуют задачи.

Примеры одноранговых сетей:

а) сеть, построенная путем соединения сетевым кабелем нескольких ПК, на которых установлена сетевая операционная система.

б) сеть из нескольких соединенных друг с другом ПК с установленной на них сетевой операционной системой.

Преимущества одноранговых сетей:

Легкость установки и настройки.

Дешевизна цены и эксплуатации.

Не требуется дополнительное оборудование или программное обеспечение, кроме операционной системы.

Не нужен администратор сети.

Хорошо работает, если число пользователей < 10.

Недостатки одноранговых сетей:

Сетевая безопасность одновременно применяется только к одному ресурсу.

Пользователи должны помнить столько паролей, сколько есть разделенных ресурсов.

Когда кто-то получает доступ к разделенному ресурсу на некотором ПК, то на данном ПК резко снижается производительность.

Нет централизованного поиска данных и управления доступа к данным.

3.2 Сети с выделенным сервером (клиент-сервер)

При этом один ПК - сервер, другие - рабочие станции (РС). Взаимодействие между РС идет через сервер.

Достоинство: один мощный ПК (сервер) обслуживает много простых РС.

Преимущества сетей клиент-сервер:

Упрощение централизованного управления пользователями, доступом к данным и безопасностью (т. е. сохранностью данных и секретность).

Пользователь для работы в сети должен помнить только свой пароль.

Недостатки сетей клиент-сервер:

Если сервер неисправен, то сеть не работает.

Необходима высокая квалификация администратора и другого обслуживающего персонала, поэтому стоимость эксплуатации высокая.

Необходимо дополнительное оборудование и программное обеспечение. Поэтому стоимость также увеличивается.

Несмотря на указанные недостатки в настоящее время наиболее часто в сетях используется организация типа клиент-сервер.

Однако в целом ряде случаев использование архитектуры клиент-сервер обходится слишком дорого. Например, в медицинской отрасли характерны большие объемы транзакций при передаче неопределенно больших файлов (в частности рентгеновских снимков), поэтому здесь рациональнее применять одноранговую структуру сети, называемую еще «технология р2р». Технология р2р соответствует информационной модели, при которой компьютеры поддерживают взаимодействие друг с другом через сеть с целью совместного использования данных и вычисли тельных ресурсов. Приложения могут обращаться к одним и тем же файлам, задействовать свободные процессорные ресурсы других компьютеров при выполнении сложных вычислений и размещать большие базы данных на свободном дисковом пространстве настольных компьютеров и серверов, входящих в сеть. Данная модель вычислений обладает целым рядом достоинств. Узкие места, присущие перегруженным центрам данных и ведущим к ним маршрутизаторам, устраняются путем размещения информации непосредственно на компьютерах конечных пользователей. Получение «максимальной мощности за минимальные деньги» возможно за счет объединения вычислительных ресурсов всех машин, подключенных к сети.

Поэтому все больше ИТ-компаний, как начинающих, так и твердо стоящих на ногах, обращают свои взор на одноранговые архитектуры. Корпорация Sun Microsystems развивает технологию Juxtapose (Jxta), предназначенную для организации взаимодействия в сетях р2р, В Intel также проявляют значительный интерес к одноранговым средам.

4. Методы доступа в сети

Метод доступа - это правила обмена данными между ПК в сети.

Существует международное соглашение, устанавливающее стандартные методы доступа для взаимодействия в сети. К ним относятся, в частности:

Ethernet

Arcnet

Token Ring

FDDI

FAST Ethernet

Gigabit Ethernet

Каждая сеть должна следовать определенным правилам (протоколам) при передаче данных от одного компьютера к другому. Протокол определяет способ доступа узла к передающей среде (кабелю) и способ передачи информации от одного узла к другому.

В настоящее время используется два типа протоколов доступа к среде:

передача маркера (token) используется в сетях IBM Token Ring и FDDI;

множественный доступ с детектированием несущей (CSMA) используется в сетях Ethernet.

4.1 Метод доступа Ethernet

Разработан фирмой Xerox в 1975 г. Наиболее популярен сейчас. Дает высокую скорость обмена и надежность. Стандарт Ethernet принят в 1980 г. Для этого метода используется топология "Общая шина" и "Звезда". Каждая РС отправляет сообщение в сеть с указанием адреса ПК-получателя. Все другие ПК при этом игнорируют сообщение.

Пропускная способность Ethernet - 10 Мбит/с. Основной принцип Ethernet - случайный метод доступа. ПК может передавать данные в сеть, только если сеть свободна, т. е. никакой другой ПК сеть не занимает.

После того как ПК убедился, что сеть свободна, он начинает передачу (т. е. захватывает среду). Допустимое время захвата среды равно времени передачи кадра. Кадр - это единица данных (пакет данных), которыми обменивается ПК в сети. Кадр содержит данные и адреса отправителя и получателя.

Все ПК принимают каждый кадр, но только ПК-получатель передает кадр к себе во внутренний буфер сетевого адаптера. Если при этом применяется протокол TCP/IP, то отправитель получает подтверждение о приеме данных от получателя.

Иногда может возникнуть коллизия, т. е. когда два или более ПК решают, что сеть свободна и начинают передавать информацию.

После обнаружения коллизии ПК прекращают передачу, и после паузы случайной длительности пытаются снова получить доступ к сети и передать вновь тот кадр, который вызвал коллизию. Один из ПК будет передавать, а другие ПК - ждать.

Достоинство Ethernet: дешевизна т. к. здесь используются простые алгоритмы доступа к среде, адресации и передачи данных. Из-за этой простоты здесь также мы имеем и высокую надежность.

4.2 Метод Token Ring

Данный метод применяется для топологии "Кольцо. Это более сложный метод, чем Ethernet т. к. имеет свойство отказоустойчивости. Метод Token Ring активно продвигается фирмой IBM.

При этом методе доступа используется посылка маркера для обеспечения равного доступа к сети каждого ПК. Каждый ПК не может посылать данные пока он не получит маркер. Причем не может быть одновременная посылка данных в сеть от двух ПК.

Отказоустойчивость обеспечивается тем, что посланный кадр всегда возвращается на ПК-отправитель, имея в себе признак подтверждения того, что кадр принят.

Для контроля сети один из ПК выполняет роль активного монитора.

Если произошел отказ активного монитора, то остальные ПК начинают процедуру выбора нового активного монитора.

Все ПК в кольце ретранслируют кадр. Если кадр попал на ПК-назначения, то кадр копируется в буфер этого ПК.

Для связи между ПК в кольце применяются концентраторы типа MAU и MSAU" (рис. 4.1.).

Рисунок 4.1. Кольцевая топология через концентраторы

Сети Token Ring в качестве среды передачи данных используют витую пару и оптоволокно. Они могут работать на двух скоростях 4 или 16 Мбит/сек.

Максимальное количество ПК в такой сети - 260. Максимальная длина кольца - 4 км.

4.3 Метод Arcnet

При использовании метода Arcnet применяется посылка маркера для установки очередности передачи данных по сети по отношению ко всем ПК в сети. Но в отличие от Token Ring здесь ПК могут быть соединены в сети по схеме "Общая шина" или "Звезда" (но не "Кольцо").

Достоинство: дешевле оборудование, чем в Ethernet.

Недостатки: скорость передачи данных 2,5 Мбит/с; необходимо вручную конфигурировать сетевые карты Arcnet, установленные в ПК.

Для связи между ПК по методу Arcnet можно использовать витую пару, оптоволокно, но стандартным является коаксиальный кабель RG-62 с волновым сопротивлением 93 Ом.

Несмотря на то, что указанные недостатки были в свое время устранены (максимальная скорость возросла до 100 Мбит/сек), компания Datapoint Corporation, продвигавшая этот стандарт, не выдержала конкуренции и с 1993 года аппаратура Arcnet не выпускается.

4.4 Метод доступа FDDI

Метод доступа FDDI используется для кольцевой топологии. Здесь применяется оптоволоконный кабель. Для быстрой и надежной связи используется маркер. Обычно сервер в сети FDDI имеет более высокий приоритет для посылки маркера, чем у других ПК. Это дает возможность серверу посылать большее количество кадров данных, чем другим ПК.

Сети FDDI организуются в виде двух колец: первичного и вторичного (рис.4.2.). Все данные обычно пересылаются по первичному кольцу. Если в первичном кольце произошел разрыв, то данные пойдут по вторичному кольцу, (это называется перенаправленный трафик). Скорость передачи данных до 3 Гбит/с.



Рисунок 4.2.Двух кольцевая топология

4.5 Метод FAST Ethernet

Этот метод разработан в 1995 г. для повышения скорости в сетях Ethernet до 100 Мбит/с.

Все отличия FAST Ethernet от Ethernet сосредоточены на физическом уровне.

В FAST Ethernet используются:

волоконно-оптический многомодовый кабель;

витая пара САТ 5 (используются две пары проводников);

витая пара САТ 3 (используются 4 пары проводников).

Коаксиальный кабель в FAST Ethernet не используется.

В методе FAST Ethernet для повышения скорости применяется полнодуплексный режим работы ПК, т. е. каждый ПК может одновременно передавать и принимать данные из сети. Это достигается применением специальных коммутаторов в сети, к которым подключаются все ПК, и двух и четырех парных кабелей САТ 3 и САТ 5 (а также многомодовый оптический кабель, т. е. на одной поднесущей ПК передает данные, а на другой - принимает).

Максимальный диаметр сети, использующей данный метод доступа -200 метров. Однако это не препятствует построению крупных сетей, т.к. применение коммутаторов не накладывает ограничений на общую длину сети, а ограничивает лишь длину физического сегмента, соединяющего соседние устройства (адаптер-коммутатор или коммутатор-коммутатор).

4.6 Метод Gigabit Ethernet

Этот метод принят в качестве стандарта в конце 1999 г. Здесь максимальная скорость передачи данных доходит до 1000 Мбит/с.

Для достижения этой цели применяются новые методы кодирования, чтобы сжать спектр сигнала и уложить его в полосу пропускания кабеля. (рис.4.3.)

Здесь можно использовать оптоволокно, специальный коаксиальный кабель и витую пару САТ 5 (используются все 4 пары проводников), а также новый вид витой пары САТ 6.

Рисунок 4.3.

В оптоволокне применяются одномодовый и многомодовый режимы.

Разработан специальный двойной коаксиальный кабель (твинаксиальный) (волновое сопротивление 150 Ом). Данные пересылаются в этом кабеле по паре проводников в экранированном "чулке". При этом реализуется полудуплексный режим работы.

Для полнодуплексной передачи необходимо применение 4-х пар таких проводников, поэтому был разработан еще один вид твинаксиального кабеля Quad - кабель.

4.7 Метод 10Gigabit Ethernet

Разработан в самое последнее время, в качестве стандарта был принят в 2002 году. Имеются в продаже устройства, поддерживающий этот метод: сетевые адаптеры, коммутаторы, но они сравнительно дороги. По данным экспертов объем продаж систем 10Gigabit Ethernet в 2008 году составил 28% от общего рынка систем Gigabit Ethernet.

5. Сетевые программные средства

5.1 Протоколы обмена данными в сети

Для обеспечения обмена данными между различными ПК необходимо выполнить определенные правила (также как для осуществления транспортных потоков при езде автомашин по дороге разработаны правила дорожного движения, дорожные знаки).

В ЛВС в качестве правил движения выступают протоколы.

В ЛВС данные передаются между ПК в виде блоков, т. е. пакетов одинаковой длины. Разделение на пакеты необходимо, т. к. длина передаваемой информации может быть разной.

5.1.1 Протокол Netbios (Netbeui)

Протокол Netbios (Netbeui) был разработан в 1980 г. фирмой IBM.

С его помощью происходят внутренние взаимодействия серверов и служб Windows NT/2000, такие как просмотр и межпроцессное общение между сетевыми серверами. Это очень быстрый протокол взаимодействия. При передаче данных в сети между ПК по этому протоколу используются имена Netbios, присвоенные каждому ПК

Недостаток протокола Netbios: в нем нет средств маршрутизации, поэтому его нельзя использовать для больших сетей.

5.1.2 Протокол TCP/IP

В настоящее время наиболее перспективен протокол TCP/IP

Достоинства TCP/IP:

Масштабируемость, т.е. независимость от аппаратной базы.

Использование в различных сетях (Windows XP, NetWare).

Открытость, т. е. допускается внесение дополнений и изменений в этот протокол (например, это требуется при совместном использовании в ПК различных ресурсов (или в сети) от разных поставщиков).

Высокая надежность.

Основную идею протокола TCP/IP можно иллюстрировать на примере перевозки деревянного сруба дома на другое место. Необходимо разобрать дом, пронумеровать до этого все бревна, погрузить на грузовики, привести на место и собрать, причем пути передвижения грузовиков с частями дома могут быть различны.

Протокол TCP/IP состоит в свою очередь из набора других протоколов (Telnet, SNMP, RIP и др.), поэтому он называется стеком.

Стек был разработан по инициативе Министерства обороны США (Department of Defence, DoD) более 20 лет назад для связи экспериментальной сети ARPAnet с другими сателлитными сетями как набор общих протоколов для разнородной вычислительной среды. Сеть ARPA поддерживала разработчиков и исследователей в военных областях. В сети ARPA связь между двумя компьютерами осуществлялась с использованием протокола Internet Protocol (IP), который и по сей день является одним из основных в стеке TCP/IP и фигурирует в названии стека.

Протокол IP передает IP-пакеты с одного узла сети на другой по лучшему из маршрутов, но IP не гарантирует доставку пакета. Протокол IP является дейтаграммным протоколом, то есть он не гарантирует доставку пакетов до узла назначения, но старается это сделать.

Протокол TCP обеспечивает коррекцию ошибок за счет подтверждения приема всех посланных пакетов.

Сначала формируется "стартовый пакет", который посылается на узел-адресат (через IP). Когда возвращается пакет "O'K, я готов", то начинается контролируемый разговор между хостами. Если пакет поврежден, тогда TCP посылает данные повторно.

Размеры пакета определяются TCP исходя из возможностей среды, к которой подключен узел. Обычно он лежит в пределах 100…1500 байтов.

На рисунке 6.1.представлена схема передачи информации по протоколу TCP/IP.

Каждый IP-пакет имеет IP-адрес узла-получателя и IP-адрес узла-отправителя. Для отправки IP-пакета на другой узел необходимо знать аппаратный адрес этого узла.

Есть специальный протокол ARP (Address Resolution Protocol) где хранится IP-адрес узла локальной сети и соответствующий ему аппаратный адрес.

Если в кэше ARP будет найден нужный аппаратный адрес, то пакет отправится адресату.

Если в кэше ARP этого адреса нет, то будет выдан широковещательный ARP-запрос в локальную сеть: "Эй, кто-нибудь использует IP-адрес WXYZ? Если да, то отправьте ваш аппаратный адрес мне на мой аппаратный адрес ABCD".

Если ответ получен, то он помещается в кэш для дальнейшего использования. Если нет, то в кэше ARP будет поиск аппаратного адреса шлюза по умолчанию, чтобы шлюз отправил этот пакет в другую сеть.

В сетях, работающих по протоколу TCP/IP нет центрального узла. Узлы сети взаимодействуют друг с другом и если какой-либо ПК вышел из строя, то сеть продолжает работу. Это - причина его высокой надежности. TCP/IP использует одноранговую структуру в отличие от традиционной структуры, когда всем в сети управляет центральный ПК.

5.1.3 Развитие стека TCP/IP: протокол IPv.6

Технология стека TCP/IP сложилась в основном в конце 1970-х годов и с тех пор основные принципы работы базовых протоколов, таких как IP, TCP, UDP и ICMP, практически не изменились. Однако, сам компьютерный мир за эти годы значительно изменился, поэтому долго назревавшие усовершенствования в технологии стека TCP/IP сейчас стали необходимостью.

Основными обстоятельствами, из-за которых требуется модификация базовых протоколов стека TCP/IP, являются следующие.

Повышение производительности компьютеров и коммуникационного оборудования. За время существования стека производительность компьютеров возросла на два порядка, объемы оперативной памяти выросли более чем в 30 раз, пропускная способность магистрали Internet в Соединенных Штатах выросла в 800 раз.

Появление новых приложений. Коммерческий бум вокруг Internet и использование ее технологий при создании intranet привели к появлению в сетях TCP/IP, ранее использовавшихся в основном в научных целях, большого количества приложений нового типа, работающих с мультимедийной информацией. Эти приложения чувствительны к задержкам передачи пакетов, так как такие задержки приводят к искажению передаваемых в реальном времени речевых сообщений и видеоизображений. Особенностью мультимедийных приложений является также передача очень больших объемов информации. Некоторые технологии вычислительных сетей, например, frame relay и ATM, MPLS уже имеют в своем арсенале механизмы для резервирования полосы пропускания для определенных приложений. Однако эти технологии еще не скоро вытеснят традиционные технологии локальных сетей, не поддерживающие мультимедийные приложения (например, Ethernet). Следовательно, необходимо компенсировать такой недостаток средствами сетевого уровня, то есть средствами протокола IP.

Бурное расширение сети Internet. В начале 90-х годов сеть Internet расширялась очень быстро, новый узел появлялся в ней каждые 30 секунд, но 95-й год стал переломным - перспективы коммерческого использования Internet стали отчетливыми и сделали ее развитие просто бурным. Первым следствием такого развития стало почти полное истощение адресного пространства Internet, определяемого полем адреса IP в четыре байта.

Новые стратегии администрирования. Расширение Internet связано с его проникновением в новые страны и новые отрасли промышленности. При этом в сети появляются новые органы администрирования, которые начинают использовать новые методы администрирования. Эти методы требуют появления новых средств в базовых протоколах стека TCP/IP.

Сообщество Internet уже несколько лет работает над разработкой новой спецификации для базового протокола стека - протокола IP. Выработано уже достаточно много предложений, от простых, предусматривающих только расширения адресного пространства IP, до очень сложных, приводящих к существенному увеличению стоимости реализации IP в высокопроизводительных (и так недешевых) маршрутизаторах.

Основным предложением по модернизации протокола IP является предложение, разработанное группой IETF. Сейчас принято называть ее предложение версией 6 - IPv6, а все остальные предложения группируются под названием IP Next Generation, IPng.

В предложении IETF протокол IPv6 оставляет основные принципы IPv4 неизменными. К ним относятся дейтаграммный метод работы, фрагментация пакетов, разрешение отправителю задавать максимальное число хопов для своих пакетов. Однако, в деталях реализации протокола IPv6 имеются существенные отличия от IPv4. Эти отличия коротко можно описать следующим образом.

Использование более длинных адресов. Новый размер адреса - наиболее заметное отличие IPv6 от IPv4. Версия 6 использует 128-битные адреса.

Гибкий формат заголовка. Вместо заголовка с фиксированными полями фиксированного размера (за исключением поля Резерв), IPv6 использует базовый заголовок фиксированного формата плюс набор необязательных заголовков различного формата.

Поддержка резервирования пропускной способности. В IPv6 механизм резервирования пропускной способности заменяет механизм классов сервиса версии IPv4.

Поддержка расширяемости протокола. Это одно из наиболее значительных изменений в подходе к построению протокола - от полностью детализированного описания протокола к протоколу, который разрешает поддержку дополнительных функций.

Адресация в IPv6

Адреса назначения и источника в IPv6 имеют длину 128 бит или 16 байт. Версия 6 обобщает специальные типы адресов версии 4 в следующих типах адресов:

Unicast - индивидуальный адрес. Определяет отдельный узел - компьютер или порт маршрутизатора. Пакет должен быть доставлен узлу по кратчайшему маршруту.

Cluster - адрес кластера. Обозначает группу узлов, которые имеют общий адресный префикс (например, присоединенных к одной физической сети). Пакет должен быть маршрутизирован группе узлов по кратчайшему пути, а затем доставлен только одному из членов группы (например, ближайшему узлу).

Multicast - адрес набора узлов, возможно в различных физических сетях. Копии пакета должны быть доставлены каждому узлу набора, используя аппаратные возможности групповой или широковещательной доставки, если это возможно.

Как и в версии IPv4, адреса в версии IPv6 делятся на классы, в зависимости от значения нескольких старших бит адреса.

Большая часть классов зарезервирована для будущего применения. Наиболее интересным для практического использования является класс, предназначенный для провайдеров услуг Internet, названный Provider-Assigned Unicast.

6. Сетевые операционные системы

Для обеспечения работы компьютерной сети необходима сетевая ОС (NOS - Network Operation System).

Для работы одноранговых сетей можно использовать встроенные сетевые возможности широко известных ОС: WindowsХР, Windows 98 и других.

В сетях с выделенным сервером необходимо применять специализированные клиент-серверные ОС, например, NetWare, Linux, Unix, Windows NT/2000.

В настоящее время для этих целей наиболее перспективна ОС Windows 2000 Server. Согласно данным известной компании International Data Corp. (IDC) на конец 2001 года по ее прогнозам в ближайшие годы фирма Microsoft сохранит лидирующие позиции на рынке программного обеспечения (ПО). На рынке серверного ПО операционная система Windows 2000 Server привлечет до 41% из числа новых пользователей ОС в то время как доля ее ближайшего конкурента Linux составит 27%. Остальные Unix-подобные системы будут использовать не более 14% пользователей. Доля рынка для ОС Netware не превысит 18%. Всего же к 2003 году операционные системы Windows 9х, Windows NT/2000 и новая клиентская версия Windows XP будут установлены на 88% всех компьютеров.

Направления развития.

Следуя из того, какого прогресса смогли сетевые технологии достичь за последние годы, не трудно догадаться, что в ближайшее время скорость передачи данных по локальной сети значительно возрастет. Привычный десятимегабитный Ethernet, долгое время занимающий главенствующие позиции активно вытесняется более современными и существенно более быстрыми технологиями передачи данных.

Глобальные сети Wide Area Networks, WAN), которые также называют территориальными компьютерными сетями, служат для того, чтобы предоставлять свои сервисы большому количеству конечных абонентов, разбросанных по большой территории - в пределах области, региона, страны, континента или всего земного шара. Ввиду большой протяженности каналов связи построение глобальной сети требует очень больших затрат, в которые входит стоимость кабелей и работ по их прокладке, затраты на коммутационное оборудование и промежуточную усилительную аппаратуру, обеспечивающую необходимую полосу пропускания канала, а также эксплуатационные затраты на постоянное поддержание в работоспособном состоянии разбросанной по большой территории аппаратуры сети.

Типичными абонентами глобальной компьютерной сети являются локальные сети предприятий, расположенные в разных городах и странах, которым нужно обмениваться данными между собой. Услугами глобальных сетей пользуются также и отдельные компьютеры. Крупные компьютеры класса мэйнфреймов обычно обеспечивают доступ к корпоративным данным, в то время как персональные компьютеры используются для доступа к корпоративным данным и публичным данным Internet.

Глобальные сети обычно создаются крупными телекоммуникационными компаниями для оказания платных услуг абонентам. Такие сети называют публичными или общественными. Существуют также такие понятия, как оператор сети и поставщик услуг сети. Оператор сети (network operator) - это та компания, которая поддерживает нормальную работу сети. Поставщик услуг, часто называемый также провайдером (service provider), - та компания, которая оказывает платные услуги абонентам сети. Владелец, оператор и поставщик услуг могут объединяться в одну компанию, а могут представлять и разные компании.

Гораздо реже глобальная сеть полностью создается какой-нибудь крупной корпорацией (такой, например, как Dow Jones или «Транснефть») для своих внутренних нужд. В этом случае сеть называется частной. Очень часто встречается и промежуточный вариант - корпоративная сеть пользуется услугами или оборудованием общественной глобальной сети, но дополняет эти услуги или оборудование своими собственными. Наиболее типичным примером здесь является аренда каналов связи, на основе которых создаются собственные территориальные сети.

Кроме вычислительных глобальных сетей существуют и другие виды территориальных сетей передачи информации. В первую очередь это телефонные и телеграфные сети, работающие на протяжении многих десятков лет, а также телексная сеть.

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. д., и т. п. На сегодня существенного прогресса в этой области не достигнуто, хотя технологии для создания таких сетей начали разрабатываться достаточно давно - первая технология для интеграции телекоммуникационных услуг ISDN стала развиваться с начала 70-х годов. Пока каждый тип сети существует отдельно и наиболее тесная их интеграция достигнута в области использования общих первичных сетей - сетей PDH и SDH, с помощью которых сегодня создаются постоянные каналы в сетях с коммутацией абонентов. Тем не менее каждая из технологий, как компьютерных сетей, так и телефонных, старается сегодня передавать «чужой» для нее трафик с максимальной эффективностью, а 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, 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.

Основные понятия и определения

Хотя в основе локальных и глобальных вычислительных сетей лежит один и тот же метод - метод коммутации пакетов, глобальные сети имеют достаточно много отличий от локальных сетей. Эти отличия касаются как принципов работы (например, принципы маршрутизации почти во всех типах глобальных сетей, кроме сетей TCP/IP, основаны на предварительном образовании виртуального канала), так и терминологии. Поэтому целесообразно изучение глобальных сетей начать с основных понятий и определений.

Обобщенная структура и функции глобальной сети

Типичный пример структуры глобальной компьютерной сети приведен на рис. 5.2. Здесь используются следующие обозначения: S (switch) - коммутаторы, К - компьютеры, R (router) - маршрутизаторы, MUX (multiplexor)- мультиплексор, UNI (User-Network Interface) - интерфейс пользователь - сеть и NNI (Network-Network Interface) - интерфейс сеть - сеть. Кроме того, офисная АТС обозначена аббревиатурой РВХ, а маленькими черными квадратиками - устройства DCE,о которых будет рассказано ниже.

Рис. 5.2. Пример структуры глобальной сети

Сеть строится на основе некоммутируемых (выделенных) каналов связи, которые соединяют коммутаторы глобальной сети между собой. Коммутаторы называют также центрами коммутации пакетов (ЦКП), то есть они являются коммутаторами пакетов, которые в разных технологиях глобальных сетей могут иметь и другие названия - кадры, ячейки cell. Как и в технологиях локальных сетей принципиальной разницы между этими единицами данных нет, однако в некоторых технологиях есть традиционные названия, которые к тому же часто отражают специфику обработки пакетов. Например, кадр технологии frame relay редко называют пакетом, поскольку он не инкапсулируется в кадр или пакет более низкого уровня и обрабатывается протоколом канального уровня.

Коммутаторы устанавливаются в тех географических пунктах, в которых требуется ответвление или слияние потоков данных конечных абонентов или магистральных каналов, переносящих данные многих абонентов. Естественно, выбор мест расположения коммутаторов определяется многими соображениями, в которые включается также возможность обслуживания коммутаторов квалифицированным персоналом, наличие выделенных каналов связи в данном пункте, надежность сети, определяемая избыточными связями между коммутаторами.

Абоненты сети подключаются к коммутаторам в общем случае также с помощью выделенных каналов связи. Эти каналы связи имеют более низкую пропускную способность, чем магистральные каналы, объединяющие коммутаторы, иначе сеть бы не справилась с потоками данных своих многочисленных пользователей. Для подключения конечных пользователей допускается использование коммутируемых каналов, то есть каналов телефонных сетей, хотя в таком случае качество транспортных услуг обычно ухудшается. Принципиально замена выделенного канала на коммутируемый ничего не меняет, но вносятся дополнительные задержки, отказы и разрывы канала по вине сети с коммутацией каналов, которая в таком случае становится промежуточным звеном между пользователем и сетью с коммутацией пакетов. Кроме того, в аналоговых телефонных сетях канал обычно имеет низкое качество из-за высокого уровня шумов. Применение коммутируемых каналов на магистральных связях коммутатор-коммутатор также возможно, но по тем же причинам весьма нежелательно.

В глобальной сети наличие большого количества абонентов с невысоким средним уровнем трафика весьма желательно - именно в этом случае начинают в наибольшей степени проявляться выгоды метода коммутации пакетов. Если же абонентов мало и каждый из них создает трафик большой интенсивности (по сравнению с возможностями каналов и коммутаторов сети), то равномерное распределение во времени пульсаций трафика становится маловероятным и для качественного обслуживания абонентов необходимо использовать сеть с низким коэффициентом нагрузки.

Конечные узлы глобальной сети более разнообразны, чем конечные узлы локальной сети. На рис. 5.2. показаны основные типы конечных узлов глобальной сети: отдельные компьютеры К, локальные сети, маршрутизаторы R и мультиплексоры MUX, которые используются для одновременной передачи по компьютерной сети данных и голоса (или изображения). Все эти устройства вырабатывают данные для передачи в глобальной сети, поэтому являются для нее устройствами типа DTE (Data Terminal Equipment). Локальная сеть отделена от глобальной маршрутизатором или удаленным мостом (который на рисунке не показан), поэтому для глобальной сети она представлена единым устройством DTE - портом маршрутизатора или моста.

При передаче данных через глобальную сеть мосты и маршрутизаторы, работают в соответствии с той же логикой, что и при соединении локальных сетей. Мосты, которые в этом случае называются удаленными мостами (remote bridges), строят таблицу МАС - адресов на основании проходящего через них трафика, и по данным этой таблицы принимают решение - передавать кадры в удаленную сеть или нет. В отличие от своих локальных собратьев, удаленные мосты выпускаются и сегодня, привлекая сетевых интеграторов тем, что их не нужно конфигурировать, а в удаленных офисах, где нет квалифицированного обслуживающего персонала, это свойство оказывается очень полезным. Маршрутизаторы принимают решение на основании номера сети пакета какого-либо протокола сетевого уровня (например, IP или IPX) и, если пакет нужно переправить следующему маршрутизатору по глобальной сети, например frame relay, упаковывают его в кадр этой сети, снабжают соответствующим аппаратным адресом следующего маршрутизатора и отправляют в глобальную сеть.

Мультиплексоры «голос - данные» предназначены для совмещения в рамках одной территориальной сети компьютерного и голосового трафиков. Так как рассматриваемая глобальная сеть передает данные в виде пакетов, то мультиплексоры «голос - данные», работающие на сети данного типа, упаковывают голосовую информацию в кадры или пакеты территориальной сети и передают их ближайшему коммутатору точно так же, как и любой конечный узел глобальной сети, то есть мост или маршрутизатор. Если глобальная сеть поддерживает приоритезацию трафика, то кадрам голосового трафика мультиплексор присваивает наивысший приоритет, чтобы коммутаторы обрабатывали и продвигали их в первую очередь. Приемный узел на другом конце глобальной сети также должен быть мультиплексором «голос - данные», который должен понять, что за тип данных находится в пакете - замеры голоса или пакеты компьютерных данных, - и отсортировать эти данные по своим выходам. Голосовые данные направляются офисной АТС, а компьютерные данные поступают через маршрутизатор в локальную сеть. Часто модуль мультиплексора «голос - данные» встраивается в маршрутизатор. Для передачи голоса в наибольшей степени подходят технологии, работающие с предварительным резервированием полосы пропускания для соединения абонентов, - frame relay, ATM.

Так как конечные узлы глобальной сети должны передавать данные по каналу связи определенного стандарта, то каждое устройство типа DTE требуется оснастить устройством типа DCE (Data Circuit terminating Equipment) которое обеспечивает необходимый протокол физического уровня данного канала. В зависимости от типа канала для связи с каналами глобальных сетей используются DCE трех основных типов: модемы для работы по выделенным и коммутируемым аналоговым каналам, устройства DSU/CSU для работы по цифровым выделенным каналам сетей технологии TDM и терминальные адаптеры (ТА) для работы по цифровым каналам сетей ISDN. Устройства DTE и DCE обобщенно называют оборудованием, размещаемым на территории абонента глобальной сети - Customer Premises Equipment, CPE.

Если предприятие не строит свою территориальную сеть, а пользуется услугами общественной, то внутренняя структура этой сети его не интересует. Для абонента общественной сети главное - это предоставляемые сетью услуги и четкое определение интерфейса взаимодействия с сетью, чтобы его оконечное оборудование и программное обеспечение корректно сопрягались с соответствующим оборудованием и программным обеспечением общественной сети.

Поэтому в глобальной сети обычно строго описан и стандартизован интерфейс «пользователь-сеть» (User-to-Network Interface, UNI). Это необходимо для того, чтобы пользователи могли без проблем подключаться к сети с помощью коммуникационного оборудования любого производителя, который соблюдает стандарт UNI данной технологии (например, Х.25).

Протоколы взаимодействия коммутаторов внутри глобальной сети, называемые интерфейсом «сеть-сеть»(Network-to-Network Interface, NNI), стандартизуются не всегда. Считается, что организация, создающая глобальную сеть, должна иметь свободу действий, чтобы самостоятельно решать, как должны взаимодействовать внутренние узлы сети между собой. В связи с этим внутренний интерфейс, в случае его стандартизации, носит название «сеть-сеть», а не «коммутатор-коммутатор», подчеркивая тот факт, что он должен использоваться в основном при взаимодействии двух территориальных сетей различных операторов. Тем не менее если стандарт NNI принимается, то в соответствии с ним обычно организуется взаимодействие всех коммутаторов сети, а не только пограничных.

Типы глобальных сетей

Приведенная на рис. 5.2 глобальная вычислительная сеть работает в наиболее подходящем для компьютерного трафика режиме - режиме коммутации пакетов. Оптимальность этого режима для связи локальных сетей доказывают не только данные о суммарном трафике, передаваемом сетью в единицу времени, но и стоимость услуг такой территориальной сети. Обычно при равенстве предоставляемой скорости доступа сеть с коммутацией пакетов оказывается в 2-3 раза дешевле, чем сеть с коммутацией каналов, то есть публичная телефонная сеть.

Поэтому при создании корпоративной сети необходимо стремиться к построению или использованию услуг территориальной сети со структурой, подобной структуре, приведенной на рис. 5.2, то есть сети с территориально распределенными коммутаторами пакетов.

Однако часто такая вычислительная глобальная сеть по разным причинам оказывается недоступной в том или ином географическом пункте. В то же время гораздо более распространены и доступны услуги, предоставляемые телефонными сетями или первичными сетями, поддерживающими услуги выделенных каналов. Поэтому при построении корпоративной сети можно дополнить недостающие компоненты услугами и оборудованием, арендуемыми у владельцев первичной или телефонной сети.

В зависимости от того, какие компоненты приходится брать в аренду, принято различать корпоративные сети, построенные с использованием:

* выделенных каналов;

* коммутации каналов;

* коммутации пакетов.

Последний случай соответствует наиболее благоприятному случаю, когда сеть с коммутацией пакетов доступна во всех географических точках, которые нужно объединить в общую корпоративную сеть. Первые два случая требуют проведения дополнительных работ, чтобы на основании взятых в аренду средств построить сеть с коммутацией пакетов.

Выделенные каналы

Выделенные (или арендуемые - leased) каналы можно получить у телекоммуникационных компаний, которые владеют каналами дальней связи (таких, например, как «РОСТЕЛЕКОМ»), или от телефонных компаний, которые обычно сдают в аренду каналы в пределах города или региона.

Использовать выделенные линии можно двумя способами. Первый состоит в построении с их помощью территориальной сети определенной технологии, например frame relay, в которой арендуемые выделенные линии служат для соединения промежуточных, территориально распределенных коммутаторов пакетов, как в случае, приведенном на рис. 5.2.

Второй вариант - соединение выделенными линиями только объединяемых локальных сетей или конечных абонентов другого типа, например мэйнфреймов, без установки транзитных коммутаторов пакетов, работающих по технологии глобальной сети (рис. 5.4). Второй вариант является наиболее простым с технической точки зрения, так как основан на использовании маршрутизаторов или удаленных мостов в объединяемых локальных сетях и отсутствии протоколов глобальных технологий, таких как Х.25 или frame relay. По глобальным каналам передаются те же пакеты сетевого или канального уровня, что и в локальных сетях.

Рис.5.4. Использование выделенных каналов

Именно второй способ использования глобальных каналов получил специальное название «услуги выделенных каналов», так как в нем действительно больше ничего из технологий собственно глобальных сетей с коммутацией пакетов не используется.

Выделенные каналы очень активно применялись совсем в недалеком прошлом и применяются сегодня, особенно при построении ответственных магистральных связей между крупными локальными сетями, так как эта услуга гарантирует пропускную способность арендуемого канала. Однако при большом количестве географически удаленных точек и интенсивном смешанном трафике между ними использование этой службы приводит к высоким затратам за счет большого количества арендуемых каналов.

Сегодня существует большой выбор выделенных каналов - от аналоговых каналов тональной частоты с полосой пропускания 3,1 кГц до цифровых каналов технологии SDH с пропускной способностью 155 и 622 Мбит/с.

Глобальные сети с коммутацией каналов

Сегодня для построения глобальных связей в корпоративной сети доступны сети с коммутацией каналов двух типов - традиционные аналоговые телефонные сети и цифровые сети с интеграцией услуг ISDN. Достоинством сетей с коммутацией каналов является их распространенность, что характерно особенно для 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.

Известным недостатком аналоговых телефонных сетей является низкое качество составного канала, которое объясняется использованием телефонных коммутаторов устаревших моделей, работающих по принципу частотного уплотнения каналов (FDM-технологии). На такие коммутаторы сильно воздействуют внешние помехи (например, грозовые разряды или работающие электродвигатели), которые трудно отличить от полезного сигнала. Правда, в аналоговых телефонных сетях все чаще используются цифровые АТС, которые между собой передают голос в цифровой форме. Аналоговым в таких сетях остается только абонентское окончание. Чем больше цифровых АТС в телефонной сети, тем выше качество канала, однако до полного вытеснения АТС, работающих по принципу FDM-коммутации, в нашей стране еще далеко. Кроме качества каналов, аналоговые телефонные сети также обладают таким недостатком, как большое время установления соединения, особенно при импульсном способе набора номера, характерного для нашей страны.