Развитие корпоративных сетей
Стандарт Ethernet был изобретен корпорацией Xerox и реализован совместно Xerox, Intel и Digital Equipment Corporation (DEC). В настоящий момент Ethernet является широко распространенным стандартом построения локальных сетей. Устройства в Ethernet-сетях начинают передачу данных только после обнаружения свободного в данный момент канала связи. Когда два устройства начинают передавать данные одновременно, происходит коллизия, и эти два устройства приостанавливают передачу на некоторый случайный период времени. Ethernet-сети могут работать с различными типами кабелей со скоростью 10 Мбит/с; они могут использовать различные протоколы, например, протоколы TCP/ IP и XNS. Fast Ethernet работает со скоростью 100 Мбит/с и имеет полосу пропускания в 10 раз больше, чем Ethernet, что позволяет работать с большим трафиком; в результате Fast Ethernet работает в 10 раз быстрее, чем Ethernet.
К наиболее распространенным протоколам передачи данных относится группа протоколов, определенная рекомендацией Х.25 для сетей коммутации пакетов. Данная рекомендация определяет единые процедуры и используется для установления процедур взаимодействия между рабочими станциями. Аналогичным образом подключаются и сетевые серверы. На сетевом уровне рекомендацией Х.25 определяются форматы пакетов и процедуры управления передачей пакетов между рабочей станцией и сетью передачи данных. Учитывая достаточно большой набор функций, выполняемых на сетевом уровне, определено несколько типов пакетов.
Заголовок пакета содержит служебную информацию, необходимую для взаимодействия рабочих станций на сетевом уровне. Основой пакета является его информационная часть. В зависимости от характера информации, помещенной в их основу, пакеты делятся на информационные и управляющие. Информационные пакеты предназначены для передачи блоков данных, получаемых с транспортного уровня. Управляющие пакеты обеспечивают выполнение процедур сетевого уровня, связанных с управлением сетью передачи данных при передаче информационных пакетов. Содержащаяся в информационных пакетах управляющая информация также используется для решения задач маршрутизации и управления потоком данных.
Рекомендацией Х.25 допускается одновременное существование некоторого количества сгруппированных между собой логических каналов. Для указания номера группы логического канала, отведенного рабочей станции, и предназначено поле группового номера логического канала. При установлении виртуального соединения рабочая станция выбирает свободный логический канал из числа доступных.
Аббревиатура ISDN расшифровывается как цифровая сеть с интеграцией услуг (Integrated Services Digital Network). Концепция ISDN была разработана в 70-х годах компанией Bellcore, а сама технология стандартизована в 1984 году. Разработка ISDN была первой попыткой создать технологию с возможностью одновременной передачи голоса и данных. Она базируется на пользовательских каналах со скоростью 64 Кбит/с (так называемых В-каналах) и на отдельном служебном канале (D-канале). С использованием комбинаций этих каналов можно реализовать интерфейсы ISDN в трех вариантах: как основное соединение с рабочей скоростью передачи 128 Кбит/с (два В-канала и один D-канал); как первичное соединение с рабочей скоростью 1536 Кбит/с, которое используется в Северной Америке (двадцать три В-канала и один D-канал); или с рабочей скоростью 1920 Кбит/с, используемое в Европе (тридцать В-каналов и один D-канал).
Основная идея, заложенная в технологию ISDN, состоит в том, что различные устройства, например, телефоны, компьютеры, факсы и т. д., могут одновременно передавать и принимать цифровые сигналы после установления коммутируемого соединения с удаленным абонентом.
Цифровые сети с интеграцией услуг ISDN можно использовать при передаче данных, для объединения удаленных локальных сетей, для доступа к сети Internet и для различных видов трафика, в том числе мультимедийного. Оконечными устройствами в сети ISDN могут быть: цифровой телефонный аппарат, компьютер с ISDN-адаптером, файловый сервер и т. д. В настоящее время ISDN чаще всего применяется для телефонных служб.
Технология Frame Relay появилась в исследовательском подразделении Bell Labs компании AT&T. В 1988 году протокол Frame Relay был включен в стандарт ISDN в качестве рекомендации 1.122 и утвержден подкомитетом по стандартам Международного консультативного комитета по телеграфии и телефонии (CCITT). К моменту появления окончательного варианта стандарта на технологию ISDN рекомендация 1.122 превратилась в независимый протокол со своей областью применения.
Эта технология разрабатывалась с учетом высокоскоростной передачи данных и низкого уровня ошибок современных сетевых средств. Первые сети с коммутацией пакетов были рассчитаны на скорость передачи 64 Кбит/с, в то время как сети Frame Relay предназначались для работы с большими скоростями. Достичь повышения скоростей передачи помогло исключение накладных расходов, которые неизбежны при контроле ошибок.
Накладные расходы при пакетной коммутации вызываются контролем вызовов, поиском ошибок и контролем над потоками. В технологии Х.25 пакеты управления вызовами, используемые для установления и разрыва виртуальных соединений, передаются по тому же самому соединению, что и пакеты данных. Фактически, вся передача сигналов осуществляется по основному каналу (так называемая in-band передача).
Во Frame Relay передача сигналов контроля вызова осуществляется по виртуальному соединению, отличному от используемого для передачи пользовательских данных. В пользовательском интерфейсе один канал управления соединением служит для контроля за всеми коммутируемыми соединениями передачи данных.
Наиболее очевидно преимущество Frame Relay над Х.25 в управлении потоками и контролем за ошибками. Технология Х.25 использует физический, канальный и сетевой уровни, что соответствует трем нижним уровням эталонной модели. На канальном уровне осуществляется контроль за ошибками в транзитных узлах сети с коммутацией пакетов. При этом каждому узлу присваивается порядковый номер. После проведения контроля, одновременно с передачей данных на следующий узел, предыдущему передается подтверждение приема.
Основное отличие между технологиями Frame Relay и Х.25 состоит именно в механизме коррекции ошибок. Так как технология Х.25 разрабатывалась более 20 лет назад для передачи данных через аналоговые каналы связи, которые характеризовались плохим качеством, то требовались различные механизмы коррекции ошибок и алгоритмы повторной передачи потерянных данных.
Причиной того, что технология Frame Relay столь стремительно занимает нишу локальных сетей, является ее экономическая эффективность. Frame Relay не требует построения новой коммуникационной инфраструктуры. Обычно все, что требуется, – это программное обновление существующих маршрутизирующих систем или незначительная модернизация программно-аппаратного обеспечения систем коммутации кадров Х.25.
Технология Frame Relay имеет много общего с ATM. Основное различие между ними на уровне организации блоков информации состоит в том, что в первой длина кадров переменна, а во второй – постоянна и равна 53 байтам. Большинство современных сетей Frame Relay рассчитаны на максимальную длину кадра 1024 байта, из которых от 6 до 8 байт занимают служебные данные.
Большой вклад в рост популярности технологии Frame Relay внесла возможность передачи голосовой информации. Для этого были разработаны голосовые маршрутизаторы (мультиплексоры) и платы расширения FRAD (Frame Relay Access Device устройство доступа к сети Frame Relay). До появления нового поколения этих устройств качество передачи речи оставляло желать лучшего – наблюдались большие задержки, эхо и т.д. Голосовой маршрутизатор реализует постоянные виртуальные соединения, что приводит к упрощению процедуры установления связи. Эти устройства обычно имеют модульную конструкцию, что позволяет при необходимости нарастить его функциональность.
При передаче голоса через сеть Frame Relay голосовому трафику присваивается наивысший приоритет, и время доставки информации снижается за счет переупорядочения очередей пакетов в устройствах доступа к сети. При этом считается, что между двумя голосовыми пакетами в очереди на передачу могут находиться не более двух пакетов данных. Привлекательность технологии Frame Relay еще более возрастет при реализации коммутируемых, а не постоянных виртуальных соединений. При этом голос и данные можно будет передавать между двумя заранее не определенными точками.
Поскольку можно передавать как короткие, так и очень большие кадры, существует вероятность того, что большие кадры вызовут большую задержку между передачей двух коротких кадров. Однако, несмотря на это обстоятельство, следующие несколько лет технология Frame Relay будет играть важную роль в локальных сетях, хотя ее использование для типичных широкополосных служб с изменяющимся профилем графика ограничено.
У технологии Frame Relay остаются два серьезных недостатка, относящиеся к управлению потоками данных и созданию коммутируемых виртуальных каналов. Без устранения первого из них неизбежна потеря некоторых кадров и в этом случае требуется их повторная передача, вызывающая перегрузку сети. Если граничный маршрутизатор локальной сети не поддерживает какой-либо протокол контроля за трафиком, то он может направить слишком много данных в некоторый узел, что приведет к их потере в образовавшемся заторе.
Одним из главных достоинств сети Frame Relay является ее надежность. Благодаря использованию постоянных виртуальных соединений при возникновении обрыва канала связи автоматически производится изменение маршрута, и данные немедленно направляются по другому пути. Эта технология имеет много привлекательных сторон: достаточно дешевые и простые средства управления, возможность передачи голоса, предоставление гарантированного качества обслуживания как по времени задержки, так и по скорости передачи данных. С повышением скорости до 44.736 Мбит/с эта технология способна соревноваться с ATM, будучи при этом дешевле.
Технология FDDI (Fiber Distributed Data Interface) – первая технология локальных сетей, которая использовала в качестве среды передачи данных оптоволоконный кабель. Работы по использованию света для передачи информации начали активно вестись в 1960-е годы в связи с изобретением лазера. Лазерный луч замечателен тем, что состоит из волн одной и той же частоты, и отклонение от этой частоты совсем незначительно (в отличие от обычного света, который является суперпозицией волн разной частоты). Поэтому приемник лазерного луча может уловить даже малейшую модуляцию частоты носителя, что позволяет использовать для передачи метод частотной модуляции.
Другим достоинством оптических методов передачи информации является очень высокая скорость – ведь луч распространяется со скоростью света. Примерно в то же время появились оптические волокна, которые были способны передавать свет. Однако потери света в первых волокнах были слишком велики и они не могли тогда составить конкуренцию медным проводам. Недорогие оптические волокна с низкими потерями и широкой полосой пропускания (до нескольких гигагерц) появились только в 1970-е годы. В начале 1980-х годов началась промышленная установка и эксплуатация оптоволоконных каналов связи в территориальных телекоммуникационных системах.
Разработка FDDI проводилась специально с целью объединения наиболее важных участков сети. В то время скорость передачи данных в 10 Мбит/с для рабочей станции была вполне приемлемой. Но для магистрали такая скорость была уже явно недостаточной. В течение ряда лет стандарт FDDI был единственным стандартом передачи данных в сети со скоростью 100 Мбит/с. Обладая хорошей управляемостью и высокой надежностью, FDDI быстро завоевал популярность.
Исходя из потребностей в быстром взаимодействии абонентов через магистраль, технология FDDI была спроектирована для связи центральных серверов и других важных участников обмена информацией в сети. Эта технология предусматривает возможность управления процессом передачи с высокой надежностью, благодаря чему она до сих пор предлагается производителями.
Одно из самых больших достоинств технологии FDDI – это ее высокая надежность. Каждое устройство сети может получать и посылать данные двум своим соседям по кольцу. Такое построение сети позволяет ей функционировать даже при обрыве кабеля. При этом устройства на обоих концах разрыва начинают работать в качестве концевой заглушки. Сама же система продолжает работать по одному кольцу, которое проходит через каждое устройство дважды.
Существует два основных способа подключения рабочих станций к сети FDDI: непосредственное подключение и подключение через мосты или маршрутизаторы к сетям с другими сетевыми протоколами.
Непосредственное подключение используется, как правило, для подключения к сети FDDI серверов различного назначения, высокопроизводительных вычислительных машин и других устройств, предоставляющих сервис для многих пользователей и требующих высоких скоростей обмена данными. Однако ввиду того, что сетевые адаптеры для непосредственного подключения к сети FDDI довольно дороги, этот способ применяется только в тех случаях, когда высокая скорость обмена по сети является обязательным условием работы приложения.
Успешная работа многих организаций и компаний сегодня напрямую зависит от средств коммуникаций. Большую роль в деловой жизни стали играть Internet и мультимедиа. Успешно применять современные информационные технологии позволяют только современные программные и технические средства. Очень важно сделать правильный стратегический выбор пути развития сети своего предприятия. Для этого необходимо иметь всю информацию о современных сетевых технологиях, знать их возможности и уметь оценивать стоимость.
С точки зрения стратегии развития, технология ATM (Asynchronous Transfer Mode – асинхронный способ передачи данных) представляется одной из наиболее перспективных. Богатые функциональные возможности этой технологии позволяют в полной мере использовать существующую сетевую инфраструктуру. В данном случае под словом “инфраструктура” понимаются магистральные каналы связи, огромное количество локальных сетей и сетевое оборудование.
Технология ATM была изначально разработана для глобальных сетей, но быстро адаптировалась для использования и в локальных сетях. При этом теперь как в глобальных, так и в локальных сетях передача данных происходит с помощью установления соединений, которые производятся через высокоскоростные коммутирующие системы (коммутаторы ATM). Эти коммутаторы выполняют маршрутизацию ячеек от входящих портов к выходящим в реальном масштабе времени и параллельно на всех портах. Ячейки обрабатываются коммутаторами значительно быстрее и более эффективно, чем пакеты данных переменной длины.
Структура ячеек такова, что коммутаторы ATM могут обрабатывать их параллельно. Так как все ячейки имеют одинаковую длину, все блоки данных, которые ожидают передачи на входных портах коммутатора, могут быть обработаны одновременно и переданы к их выходным портам. В результате ATM может обрабатывать все имеющиеся типы трафика (голос, данные, видео) очень эффективно.
Создание технологии B-ISDN (Broadband ISDN) – это попытка предоставить одну, универсальную, широко распространенную и высокоскоростную сеть вместо множества сложных неоднородных существующих сетей. Эта новая сеть должна, с одной стороны, выполнять все функции, возлагаемые на нынешние сети по передаче голоса, данных и телевизионных сигналов, а с другой стороны, обладать возможностью поддерживать будущие коммуникационные технологии. Первая работа над стандартом такой универсальной сети была начата в 1990 году, а проект стандарта получил название B-ISDN.
B-ISDN – это высокоскоростная технология, использующая ATM в качестве транспортного механизма. Она служит для объединения нескольких локальных сетей. В настоящее время технология B-ISDN привлекает к себе все большее внимание, так как она обеспечивает максимальную технико-экономическую эффективность. Это достигается за счет интеграции услуг, предоставляемых различными службами, например, обычной узкополосной технологией ISDN, переходом к единому обслуживанию множества видов информации, которая может быть как низкоскоростной (факсы, терминалы и т. д.), так и высокоскоростной в реальном масштабе времени (телевидение, видеотелефоны и т. д.). Необходимым условием развертывания широкополосных сетей с интеграцией услуг является наличие высокоскоростных и эффективных технических средств, какими сегодня являются средства ATM.
Согласование глобальных сетей между собой, а также с локальными сетями, осуществляется на сетевом и транспортном уровнях. В настоящее время в основном используются два основных подхода к формированию межсетевого взаимодействия:
• объединение сетей в рамках сети Internet в соответствии с межсетевым протоколом IP (Internet Protocol);
• объединение сетей коммутациипакетов (Х.25) в соответствии с Рекомендацией Х.75.
Основное различие этих подходов заключается в следующем: протокол IP относится к протоколам без установления логического соединения (дейтаграммном), а Рекомендация Х.75 предполагает организацию виртуального соединения (канала).
Становление корпоративных компьютерных сетей тесно связано с сетью Internet, в рамках которой были реализованы основные принципы и протоколы межсетевых соединений. С сетью Internet связано появление новой группы протоколов, так называемых межсетевых протоколов или IP-протоколов. Территориально располагаясь на сетевом уровне эталонной модели, межсетевой протокол согласовывает транспортную и сетевую службы различных компьютерных сетей.
По мере развития различных компьютерных сетей стала очевидной необходимость их объединения. В связи с этим, начиная с 1973 г., агентство APRA начало осуществлять программу Internetting Project. Программой предусматривалось определение возможности установления связи между сетями с учетом использования ими различных протоколов передачи информации. Для этой цели был предложен протокол TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol).
Собственно протокол TCP/IP состоит из двух протоколов: TCP и IP. Протокол TCP является стандартным транспортным протоколом и обеспечивает возможность надежной передачи информации между клиентами сети. В свою очередь, протокол IP обеспечивает возможность доставки пакетов между узлами сети Internet, а также отвечает за адресацию сетевых узлов. В процессе своего функционирования протокол IP постоянно взаимодействует с протоколом межсетевых управляющих сообщений (ICMP – сокращение от Internet Control Message Protocol), образуя с ним так называемый межсетевой модуль (IP-модуль).
Протоколы TCP и IP располагаются в середине Эталонной модели взаимодействия открытых систем и тесно связаны с протоколами других уровней, поэтому термин “TCP/IP” обычно охватывает все, что связано с протоколами TCP и IP, – семейство протоколов, прикладные программы и даже саму сеть.
В корпоративной сети важную роль играют механизмы преобразования физических адресов конкретной сети в межсетевые (Internet) адреса и обратно. В рамках каждой отдельной сети рабочие станции взаимодействуют между собой на канальном уровне, используя для этого свою систему адресации. Так, физический адрес в сети Ethernet задается шестибайтовым числовым значением, каждый байт записывается в шестнадцатеричной системе и отделяется двоеточием, например: 07:01:А0:47:54:СЗ.
Для обеспечения условия “открытости” систем межсетевые адреса, называемые IP-адресами, являются логическими и не зависят от аппаратуры или конфигурации сети. IP-адрес состоит из четырех десятичных цифр, отделенных друг от друга точками, например: 192.33.33.22. Крайнее слева число обозначает базовую сеть; числа, которые стоят правее, указывают на более мелкие участки внутри этой сети; и так до адреса конкретного компьютера. Для облегчения запоминания адресов широко используется их именное обозначение, называемое доменным.
Преобразование домена в цифровой адрес осуществляется автоматически при маршрутизации сообщения. Доменные имена обладают постоянной структурой, опираясь на которую можно определить их принадлежность. Система доменных имен (DNS), описывающая компьютеры и организации, в которых они установлены, устроена зеркально по отношению к цифровой IP-адресации. Если в IP-адресе наиболее общая информация указана слева, то в доменных именах она стоит справа. IP-пакет помещается в физический кадр той сети, по которой он в настоящий момент передается. IP-пакет содержит межсетевой адрес узла-получателя, а сетевой кадр данных должен содержать физический адрес узла-получателя.
Особую актуальность приобретает механизм преобразования (отображения) адресов для широковещательных сетей, таких как Ethernet и подобные. С целью сокращения времени передачи пакетов и уменьшения числа широковещательных запросов, каждый узел содержит кэш-память, в которой хранится таблица разрешения адресов. С помощью этой таблицы задается соответствие между физическими и IP-адресами.
Протокол TCP/IP используется не только в Internet, но и в сетях типа Интранет (интрасетях).