Топология физических связей
Как только компьютеров становится больше двух, возникает проблема выбора конфигурации физических связей или топологии. Под топологией сети понимается конфигурация графа, вершинам которого соответствуют конечные узлы сети (например, компьютеры) и коммуникационное оборудование (например, маршрутизаторы), а ребрам — электрические и информационные связи между ними.
Число возможных конфигураций резко возрастает при увеличении числа связываемых устройств. Так, если три компьютера мы можем связать двумя способами, то для четырех компьютеров (рис. 4.1) можно предложить уже шесть топологически различных конфигураций (при условии неразличимости компьютеров).
Рис. 4.1. Варианты связи компьютеров.
Мы можем соединять каждый компьютер с каждым или же связывать их последовательно, предполагая, что они будут общаться, передавая друг другу сообщения "транзитом". При этом транзитные узлы должны быть оснащены специальными средствами, позволяющими выполнять эту специфическую посредническую операцию. В роли транзитного узла может выступать как универсальный компьютер, так и специализированное устройство.
От выбора топологии связей зависят многие характеристики сети. Например, наличие между узлами нескольких путей повышает надежность сети и делает возможной балансировку загрузки отдельных каналов. Простота присоединения новых узлов, свойственная некоторым топологиям, делает сеть легко расширяемой. Экономические соображения часто приводят к выбору топологий, для которых характерна минимальная суммарная длина линий связи.
Среди множества возможных конфигураций различают полносвязные и неполносвязные :
Рис. 4.1.1. Типы конфигураций
Полносвязная топология (рис. 4.2) соответствует сети, в которой каждый компьютер непосредственно связан со всеми остальными. Несмотря на логическую простоту, это вариант громоздкий и неэффективный. Действительно, каждый компьютер в сети должен иметь большое количество коммуникационных портов, достаточное для связи с каждым из остальных компьютеров. Для каждой пары компьютеров должна быть выделена отдельная физическая линия связи. (В некоторых случаях даже две, если невозможно использование этой линии для двусторонней передачи.) Полносвязные топологии в крупных сетях применяются редко, так как для связи N узлов требуется N(N-1)/2 физических дуплексных линий связи, т.е. имеет место квадратическая зависимость. Чаще этот вид топологии используется в многомашинных комплексах или в сетях, объединяющих небольшое количество компьютеров.
Рис. 4.2. Полносвязная конфигурация.
Все другие варианты основаны на неполносвязных топологиях, когда для обмена данными между двумя компьютерами может потребоваться промежуточная передача данных через другие узлы сети.
Ячеистая топология (mesh[1]) получается из полносвязной путем удаления некоторых возможных связей. Ячеистая топология допускает соединение большого количества компьютеров и характерна для крупных сетей (рис 4.3).
Рис. 4.3. Ячеистая топология.
В сетях с кольцевой конфигурацией (рис. 4.4) данные передаются по кольцу от одного компьютера к другому. Главное достоинство "кольца" в том, что оно по своей природе обладает свойством резервирования связей. Действительно, любая пара узлов соединена здесь двумя путями — по часовой стрелке и против. "Кольцо" представляет собой очень удобную конфигурацию и для организации обратной связи — данные, сделав полный оборот, возвращаются к узлу-источнику. Поэтому отправитель в данном случае может контролировать процесс доставки данных адресату. Часто это свойство "кольца" используется для тестирования связности сети и поиска узла, работающего некорректно. В то же время в сетях с кольцевой топологией необходимо принимать специальные меры, чтобы в случае выхода из строя или отключения какой-либо станции не прерывался канал связи между остальными станциями "кольца".
Рис. 4.4. Топология "кольцо".
Топология "звезда" (рис.4.5) образуется в том случае, когда каждый компьютер с помощью отдельного кабеля подключается к общему центральному устройству, называемому концентратором[2]. В функции концентратора входит направление передаваемой компьютером информации одному или всем остальным компьютерам сети. В роли концентратора может выступать как компьютер, так и специализированное устройство, такое как многовходовый повторитель, коммутатор или маршрутизатор. К недостаткам топологии типа "звезда" относится более высокая стоимость сетевого оборудования, связанная с необходимостью приобретения специализированного центрального устройства. Кроме того, возможности наращивания количества узлов в сети ограничиваются количеством портов концентратора.
Рис. 4.5. Топология "звезда".
Иногда имеет смысл строить сеть с использованием нескольких концентраторов, иерархически соединенных между собой связями типа "звезда" (рис. 4.6). Получаемую в результате структуру называют также деревом. В настоящее время дерево является самым распространенным типом топологии связей, как в локальных, так и в глобальных сетях.
Рис. 4.6. Топология "иерархическая звезда" или "дерево".
Особым частным случаем конфигурации звезда является конфигурация "общая шина" (рис. 4.7). Здесь в роли центрального элемента выступает пассивный кабель, к которому по схеме "монтажного ИЛИ" подключается несколько компьютеров (такую же топологию имеют многие сети, использующие беспроводную связь — роль общей шины здесь играет общая радиосреда). Передаваемая информация распространяется по кабелю и доступна одновременно всем присоединенным к нему компьютерам.
Рис. 4.7. Топология "общая шина".
Основными преимуществами такой схемы являются низкая стоимость и простота наращивания, т.е. присоединения новых узлов к сети.
Самым серьезным недостатком "общей шины" является ее недостаточная надежность: любой дефект кабеля или какого-нибудь из многочисленных разъемов полностью парализует всю сеть. Другой недостаток "общей шины" — невысокая производительность, так как при таком способе подключения в каждый момент времени только один компьютер может передавать данные по сети, поэтому пропускная способность канала связи всегда делится между всеми узлами сети. До недавнего времени "общая шина" являлась одной из самых популярных топологий для локальных сетей.
В то время как небольшие сети, как правило, имеют типовую топологию — "звезда", "кольцо" или "общая шина", для крупных сетей характерно наличие произвольных связей между компьютерами. В таких сетях можно выделить отдельные произвольно связанные фрагменты (подсети), имеющие типовую топологию, поэтому их называют сетями со смешанной топологией (рис. 4.8).
Рис. 4.8. Смешанная топология.
Адресация узлов сети
Еще одной проблемой, которую нужно учитывать при объединении трех и более компьютеров, является проблема их адресации, точнее сказать адресации их сетевых интерфейсов[3]. Один компьютер может иметь несколько сетевых интерфейсов. Например, для образования физическогокольца каждый компьютер должен быть оснащен как минимум двумя сетевыми интерфейсами для связи с двумя соседями. А для создания полносвязной структуры из N компьютеров необходимо, чтобы у каждого из них имелся N-1 интерфейс.
Адреса могут быть числовыми (например, 129.26.255.255) и символьными (site.domain.ru). Один и тот же адрес может быть записан в разных форматах, скажем, числовой адрес в предыдущем примере 129.26.255.255 может быть записан и в шестнадцатеричном формате цифрами — 81.1a.ff.ff.
Адреса могут использоваться для идентификации не только отдельных интерфейсов, но и их групп (групповые адреса). С помощью групповых адресов данные могут направляться сразу нескольким узлам. Во многих технологиях компьютерных сетей поддерживаются так называемые широковещательные адреса. Данные, направленные по такому адресу, должны быть доставлены всем узлам сети.
Множество всех адресов, которые являются допустимыми в рамках некоторой схемы адресации, называется адресным пространством. Адресное пространство может иметь плоскую (линейную) (рис. 4.9) или иерархическую (рис. 4.10) организацию. В первом случае множество адресов никак не структурировано.
Рис. 4.9. Плоское адресное пространство.
При иерархической схеме адресации оно организовано в виде вложенных друг в друга подгрупп, которые, последовательно сужая адресуемую область, в конце концов определяют отдельный сетевой интерфейс.
Рис. 4.10. Иерархическая структура адресного пространства.
На рис. 4.10 показана трехуровневая структура адресного пространства, при которой адрес конечного узла задается тремя составляющими: идентификатором группы (K), в которую входит данный узел, идентификатором подгруппы (L) и, наконец, идентификатором узла (n), однозначно определяющим его в подгруппе. Иерархическая адресация во многих случаях оказывается более рациональной, чем плоская. В больших сетях, состоящих из многих тысяч узлов, использование плоских адресов может привести к большим издержкам — конечным узлам и коммуникационному оборудованию придется работать с таблицами адресов, состоящими из тысяч записей. А иерархическая система адресации позволяет при перемещении данных до определенного момента пользоваться только старшей составляющей адреса, затем для дальнейшей локализации адресата следующей по старшинству частью, и в конечном счете — младшей частью. Примером иерархически организованных адресов служат обычные почтовые адреса, в которых последовательно уточняется местонахождение адресата: страна, город, улица, дом, квартира.
К адресу сетевого интерфейса и схеме его назначения можно предъявить несколько требований:
- адрес должен уникально идентифицировать сетевой интерфейс в сети любого масштаба;
- схема назначения адресов должна сводить к минимуму ручной труд администратора и вероятность дублирования адресов;
- желательно, чтобы адрес имел иерархическую структуру, удобную для построения больших сетей;
- адрес должен быть удобен для пользователей сети, а это значит, что он должен допускать символьное представление, например Server3 или www.cisco.com;
- адрес должен быть по возможности компактным, чтобы не перегружать память коммуникационной аппаратуры – сетевых адаптеров, маршрутизаторов и т.п.
Нетрудно заметить, что эти требования противоречивы — например, адрес, имеющий иерархическую структуру, скорее всего, будет менее компактным, чем плоский. Символьные имена удобны, но из-за переменного формата и потенциально большой длины их передача по сети не очень экономична. Так как все перечисленные требования трудно совместить в рамках какой-либо одной схемы адресации, на практике обычно используется сразу несколько схем, так что сетевой интерфейс компьютера может одновременно иметь несколько адресов-имен. Каждый адрес используется в той ситуации, когда соответствующий вид адресации наиболее удобен. А для преобразования адресов из одного вида в другой используются специальные вспомогательные протоколы, которые называют иногда протоколами разрешения адресов (address resolution).
Примером плоского числового адреса является МАС-адрес, используемый для однозначной идентификации сетевых интерфейсов в локальных сетях. Такой адрес обычно применяется только аппаратурой, поэтому его стараются сделать по возможности компактным и записывают в виде двоичного или шестнадцатеричного значения, например 0081005e24a8. Когда задаются МАС-адреса, вручную ничего делать не нужно, так как они обычно встраиваются в аппаратуру компанией-изготовителем; их называют еще аппаратными (hardware) адресами. Использование плоских адресов является жестким решением — при замене аппаратуры, например сетевого адаптера, изменяется и адрес сетевого интерфейса компьютера.
Типичными представителями иерархических числовых адресов являются сетевые IP- и IPX-адреса. В них поддерживается двухуровневая иерархия, адрес делится на старшую часть — номер сети — и младшую — номер узла. Такое разделение позволяет передавать сообщения между сетями только на основании номера сети, а номер узла используется после доставки сообщения в нужную сеть; точно так же, как название улицы используется почтальоном только после того, как письмо доставлено в нужный город. В последнее время, чтобы сделать маршрутизацию в крупных сетях более эффективной, предлагаются более сложные варианты числовой адресации, в соответствии с которыми адрес имеет три и более составляющих. Такой подход, в частности, реализован в новой версии протокола IPv6, предназначенного для работы в Internet.
Символьные адреса или имена предназначены для запоминания людьми и поэтому обычно несут смысловую нагрузку. Символьные адреса можно использовать как в небольших, так и в крупных сетях. Для работы в больших сетях символьное имя может иметь иерархическую структуру, например ftp-arch1.ucl.ac.uk. Этот адрес говорит о том, что данный компьютер поддерживает FTP-архив в сети одного из колледжей Лондонского университета (University College London — ucl), и данная сеть относится к академической ветви (ac) Internet Великобритании (United Kingdom — uk). При работе в пределах сети Лондонского университета такое длинное символьное имя явно избыточно и вместо него можно пользоваться кратким символьным именем, на роль которого хорошо подходит самая младшая составляющая полного имени, то есть ftp-arch1.
В современных сетях для адресации узлов, как правило, применяются все три приведенные выше схемы одновременно. Пользователи адресуют компьютеры символьными именами, которые автоматически заменяются в сообщениях, передаваемых по сети, на числовые номера. С помощью этих числовых номеров сообщения передаются из одной сети в другую, а после доставки сообщения в сеть назначения вместо числового номера используется аппаратный адрес компьютера. Сегодня такая схема характерна даже для небольших автономных сетей, где, казалось бы, она явно избыточна — это делается для того, чтобы при включении сети в большую сеть не нужно было менять состав операционной системы.
Проблема установления соответствия между адресами различных типов, которой занимаются протоколы разрешения адресов, может решаться как централизованными, так и распределенными средствами. В случае централизованного подхода в сети выделяется один или несколько компьютеров (серверов имен), в которых хранится таблица соответствия друг другу имен различных типов, например символьных имен и числовых номеров. Все остальные компьютеры обращаются к серверу имен, чтобы по символьному имени найти числовой номер компьютера, с которым необходимо обменяться данными.
При распределенном подходе каждый компьютер сам решает задачу установления соответствия между адресами. Например, если пользователь указал для узла назначения числовой номер, то перед началом передачи данных компьютер-отправитель посылает всем компьютерам сети широковещательное сообщение с просьбой опознать это числовое имя. Все компьютеры, получив такое сообщение, сравнивают заданный номер со своим собственным. Тот компьютер, у которого обнаружилось совпадение, посылает ответ, содержащий его аппаратный адрес, после чего становится возможной отправка сообщений по локальной сети.
Распределенный подход хорош тем, что не предполагает выделения специального компьютера, на котором к тому же часто приходится вручную вводить таблицу соответствия адресов. Недостатком распределенного подхода является необходимость широковещательных сообщений — такие сообщения перегружают сеть, так как они требуют обязательной обработки всеми узлами, а не только узлом назначения. Поэтому распределенный подход используется только в небольших локальных сетях. В крупных сетях распространение широковещательных сообщений по всем ее сегментам становится практически нереальным, поэтому для них характерен централизованный подход. Наиболее известной службой централизованного разрешения адресов является система доменных имен (Domain Name System, DNS) сети Internet.
Адреса могут использоваться для идентификации:
- отдельных интерфейсов;
- их групп (групповые адреса);
- сразу всех сетевых интерфейсов сети (широковещательные адреса).
Адреса могут быть:
- числовыми и символьными;
- аппаратными и сетевыми;
- плоскими и иерархическими.
Для преобразования адресов из одного вида в другой используются протоколы разрешения адресов (address resolution).
До сих пор мы говорили об адресах сетевых интерфейсов, которые указывают на порты узлов сети (компьютеров и коммуникационных устройств), однако конечной целью пересылаемых по сети данных, являются не компьютеры или маршрутизаторы, а выполняемые на этих устройствах программы — процессы. Поэтому в адресе назначения наряду с информацией, идентифицирующей порт устройства, должен указываться адрес процесса, которому предназначены посылаемые данные. После того, как эти данные достигнут указанного в адресе назначения сетевого интерфейса, программное обеспечение компьютера должно их направить соответствующему процессу. Понятно, что адрес процесса не обязательно должен задавать его однозначно в пределах всей сети, достаточно обеспечить его уникальность в пределах компьютера. Примером адресов процессов могут служить номера портов TCP и UDP, используемые в стеке TCP/IP.
Еще одной важнейшей задачей построения сетей является создание эффективного механизма коммутации. В следующей лекции мы рассмотрим это фундаментальное понятие с самых общих позиций.